CN101135272A

CN101135272A - 用于内燃机的可变阀正时控制器

Info

Publication number: CN101135272A
Application number: CNA2007101462633A
Authority: CN
Inventors: 田中敏和; 井上正臣; 竹村优一; 益城善一郎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2027-08-30
Also published as: US7762222B2; EP1898058A1; JP2008057370A; US20080081702A1; EP1898058B1; CN100564839C; DE602007003284D1; JP4641985B2

Abstract

根据目标电动机速度、实际电动机速度和发动机速度来估计电动机电流(电动机的驱动电流)。当估计的电动机电流超过与发热限制电流相当的上限值时，通过对从ECU(30)向EDU(31)输出的目标电动机速度的改变量(电动机速度F/B量)进行限制，来限制电动机电流。由此，电动机(26)的热值不会超过发热限制，可以防止电动机的线圈温度超过允许温度范围。可以防止电动机的耐久性变差以及失效。

Description

用于内燃机的可变阀正时控制器

技术领域

本发明涉及可变阀正时控制器，它包括电动机作为驱动源。使电动机的转速变化以调节凸轮轴相对于曲轴的转动相位，从而对内燃机进气阀和/或排气阀的阀正时进行调整。

背景技术

为了对可变阀正时控制进行电子控制，已经开发了由电动机作为驱动源的可变阀正时控制器。JP-2006-70754A(US2006/0042578A1)中描述的可变阀正时控制器包括第一齿轮、第二齿轮、相位改变齿轮和电动机、第一齿轮(外齿轮)与凸轮轴同心布置，并由曲轴的旋转驱动力带动旋转。第二齿轮(内齿轮)与凸轮轴一起旋转。相位改变齿轮(行星齿轮)将第一齿轮的转矩传送到第二齿轮，并使第二齿轮相对于第一齿轮的转动相位改变。电动机与凸轮轴同轴设置，以便控制相位改变齿轮的公转速度。第一齿轮、第二齿轮以及相位改变齿轮的齿数被确定为使得凸轮轴可以以曲轴转速的一半转速进行旋转。

在上述电动机驱动式可变阀正时控制器中，在可变阀正时控制期间，随着电动机的驱动电流(“电动机电流”)增大，电动机热值也增大，线圈温度升高。当目标电动机速度(目标阀正时)频繁改变这样的瞬间工作状态持续时，电动机的线圈温度可能超过允许温度，并会造成电动机的耐久性变差以及故障。

本发明是考虑到上述问题作出的，本发明的一个目的是提供一种可变阀正时控制器，它利用电动机来调节阀正时，并能够限制电动机线圈的温度过度升高。

发明内容

根据本发明，一种可变阀正时控制器通过以改变凸轮轴相位的方式使电动机的速度相对于凸轮轴的转速发生改变，来调节进气阀和/或排气阀的阀正时，所述凸轮轴相位表示凸轮轴相对于内燃机曲轴的转动相位。该控制器包括目标电动机速度计算装置，该装置用于根据内燃机的转速、以及目标凸轮轴相位与实际凸轮轴相位之间的偏差，来计算目标电动机速度。该控制器包括电动机驱动控制装置，用于以使目标电动机速度与实际电动机速度之间的偏差减小的方式，对电动机电流进行反馈控制，所述电动机电流表示电动机的驱动电流。该控制器包括用于估计电动机电流的电动机电流估计装置以及电动机电流限制装置，电动机电流限制装置用于在电动机电流估计装置估计的电动机电流超过预定值时对电动机电流进行限制。

因此，电动机的热值不会超过发热限制，并可以防止电动机的线圈温度超过允许温度范围。可以防止电动机的耐久性变差以及故障。在此情况下，在对电动机电流进行限制时，可变阀正时控制的响应速度变慢。

附图说明

图1是示出了根据本发明第一实施例的发动机控制系统的示意图。

图2是示出可变阀正时控制器的示意图。

图3是示出可变阀正时控制器的控制系统结构的框图。

图4是示出根据第一实施例的目标电动机速度运算程序的处理流程图。

图5是示出根据第一实施例的电动机电流估计程序的处理流程图。

图6是示意性示出电动机速度F/B量对照图的曲线图。

图7是示意性示出上下警戒值对照图的曲线图。

图8是示意性示出估计的电动机电流对照图的曲线图。

图9是对第一实施例的控制进行说明的时序图。

图10是示出根据第二实施例的目标电动机速度运算程序的处理流程图。

图11是示出根据第二实施例的占空估计程序的处理流程图。

图12是示出根据第三实施例的目标电动机速度运算程序的处理流程图。

具体实施方式

下面将对本发明的实施例进行说明。

[第一实施例]

参照图1至图9，以下将描述本发明第一实施例1。

图1示意性示出了一种发动机控制系统的整体结构。内燃机11在下文中将称为发动机，它包括曲轴12。曲轴12的驱动力经过正时链13(或正时带)以及链轮14、15传送到进气凸轮轴16和排气凸轮轴17。可变阀正时控制器18包括电动机，并耦合到进气凸轮轴16。可变阀正时控制器18使进气凸轮轴16的转动相位(凸轮轴相位)相对于曲轴12变化，从而调节进气阀(未示出)的阀正时。

凸轮角度传感器19设在进气凸轮轴16附近。每隔进气凸轮轴16的预定凸轮角度，凸轮角度传感器19输出凸轮角度信号。曲柄角度传感器20设在曲轴12附近。每隔预定曲柄角度，曲柄角度传感器20输出曲柄角度信号。

参考图2，对可变阀正时控制器18的结构进行说明。

可变阀正时控制器18包括相位控制机构21。相位控制机构21包括外齿轮22(第一齿轮)、内齿轮23(第二齿轮)和行星齿轮24(相位改变齿轮)。外齿轮22与进气凸轮轴16同心布置，并具有内部齿。内齿轮23与外齿轮22同心布置，并具有外部齿。行星齿轮24布置在外齿轮22与内齿轮23之间，并与这两个齿轮22、23啮合。外齿轮22与链轮14一体旋转，链轮14与曲轴12同步旋转；内齿轮23与进气凸轮轴16一体旋转。在与外齿轮22和内齿轮23啮合的情况下，行星齿轮24围绕内齿轮23旋转，将转动力从外齿轮22传送到内齿轮23。通过使行星齿轮24的公转速度相对于内齿轮23的转速发生变化，来对内齿轮23相对于外齿轮22的转动相位(凸轮轴相位)进行调节。外齿轮22、内齿轮23和行星齿轮24的齿数以这样的方式确定，即，进气凸轮轴16以曲轴12转速的一半速度转动。

进气凸轮轴16的转速＝曲轴12的转速×1/2

发动机11设有电动机26，电动机26使行星齿轮24的公转速度发生变化。电动机26的旋转轴27布置成与进气凸轮轴16、外齿轮22和内齿轮23同心。连接轴28将旋转轴27与行星齿轮24的支撑轴25相连接。在对电动机26通电时，行星齿轮24在支撑轴25上旋转并围绕内齿轮23做轨道运动。此外，电动机26还设有电动机速度传感器29，该传感器输出转动电动机速度信号。

在未对电动机26通电时，旋转轴27与进气凸轮轴16同步转动。即，当电动机26的转速RM与进气凸轮轴16的转速RC一致、并且行星齿轮24的公转速度与内齿轮23的转速一致时，外齿轮22的转动相位与内齿轮23的转动相位之间的差保持在当前差，使阀正时(凸轮轴相位)保持在当前阀正时。

当使电动机26的转速RM高于进气凸轮轴16的转速RC时，即，当使行星齿轮24的公转速度高于内齿轮23的转速时，内齿轮23的转动相位相对于外齿轮22提前，从而使进气阀的阀正时提前。由此，内齿轮23相对于外齿轮22的转动相位提前，阀正时(凸轮轴相位)也提前。

同时，当使电动机26的转速RM低于进气凸轮轴16的转速RC时，即，当使行星齿轮24的公转速度低于内齿轮23的转速时，内齿轮23的转动相位相对于外齿轮22延迟，从而使进气阀的阀正时延迟。

传感器的输出被输入到电子控制单元30中，电子控制单元30在下文中将称为ECU 30。ECU 30包括微计算机，该微计算机执行储存在ROM(只读存储器)中的发动机控制程序，从而根据发动机驱动状况对燃料喷射和点火正时进行控制。

此外，ECU 30还根据凸轮角度传感器19和曲柄角度传感器20的输出，来计算凸轮轴16相对于曲轴12的转动相位(实际凸轮轴相位)。ECU 30根据发动机工作状况来计算目标凸轮轴相位(目标阀正时)。ECU 30根据发动机速度、以及目标凸轮轴相位与实际凸轮轴相位之间的偏差，来计算目标电动机速度。如图3所示，ECU 30向电动机驱动电路(EDU)31输出表示目标电动机速度的信号。

EDU 31执行电动机驱动控制。EDU 31具有模拟转速反馈电路32，该电路对施加到电动机26的电压占空(duty)进行反馈控制，从而减小目标电动机速度与实际电动机速度之间的偏差。EDU 31执行实际电动机速度到目标电动机速度的反馈控制，并执行实际凸轮轴相位到目标凸轮轴相的反馈控制。“反馈”在下文中表示为“F/B”。

ECU 30在发动机工作期间执行图4和图5所示的各个程序。根据目标电动机速度、实际电动机速度、以及发动机速度来估计电动机电流(电动机的驱动电流)。当估计的电动机电流超过了与发热限制电流相当的上限值时，ECU 30对待向EDU 31输出的目标电动机速度的变化进行限制。这种变化对应于电动机速度F/B量。下面将对ECU 30执行的图4和图5中各个程序的处理进行说明。

[目标电动机速度计算程序]

在发动机工作期间，ECU 30执行图4所示目标电动机速度计算程序。

在步骤101，计算目标凸轮轴相位与实际凸轮轴相位之间的偏差。这种偏差称为凸轮轴相位偏差。

凸轮轴相位偏差(CPD)＝目标凸轮轴相位(TCP)-实际凸轮轴相位(ACP)

随后，过程前进到步骤102，在该步骤中，参照图6所示转速F/B校正量对照图，计算与当前发动机速度和凸轮轴相位偏差相应的转速F/B校正量。如图6的电动机速度F/B校正量对照图所示，随着凸轮轴相位偏差(CPD)增大，电动机速度F/B校正量也增大；随着发动机速度增大，电动机速度F/B校正量也增大。

在计算了转速F/B校正量之后，过程前进到步骤103，在该步骤中执行图5所示电动机电流估计程序。在步骤103，根据瞬时目标电动机速度和瞬时实际电动机速度来对估计的电动机电流进行计算。之后，过程前进到步骤104，在该步骤中，对估计的电动机电流是否超过了与发热限制电流值相当的指定值(阈值)进行判定。当步骤104中的结果为“否”时，过程前进到步骤107，在该步骤中，根据下面的式子建立目标电动机速度，而不对步骤102中计算出的电动机速度F/B校正量进行限制。

目标电动机速度(TMS)＝基本目标电动机速度(BTMS)

+电动机速度F/B校正量(MSFBC)

其中，基本目标电动机速度是与凸轮轴转速(曲轴转速×1/2)一致的电动机速度。

当步骤104中的结果为“是”时，过程前进到步骤105，在该步骤中，根据图7所示上下警戒值对照图，基于瞬时发动机速度来计算上警戒值和下警戒值。如图7所示，随着发动机速度增大，上警戒值和下警戒值的绝对值也增大。可以根据发动机速度和凸轮轴相位偏差来建立上警戒值和下警戒值。为了简化数据处理，也可以将警戒值建立成预定的常数值。

随后，过程前进到步骤106，在该步骤中，利用步骤105中计算出的上警戒值和下警戒值来对步骤102中计算出的电动机速度F/B量进行警戒处理。即，在电动机速度F/B校正量大于上警戒值的情况下，使电动机速度F/B校正量达到上警戒值。在电动机速度F/B校正量小于下警戒值的情况下，使电动机速度F/B校正量达到下警戒值。在电动机速度F/B校正量处于上警戒值与下警戒值之间的范围内时，不改变转速F/B校正量。在步骤105和106，施加到电动机的电流受到限制。

随后，过程前进到步骤107，在该步骤中利用经警戒处理的转速F/B校正量来计算目标电动机速度。

目标电动机速度(TMS)＝基本目标电动机速度(BTMS)

+经警戒处理的转速F/B校正量(G-MSFBC)

ECU 30向EDU 31输出表示由上述处理计算出的目标电动机速度的信号。

[电动机电流估计程序]

图5所示电动机电流估计程序是图4的步骤103中执行的子程序。在步骤201中，判定是否执行电动机电流限制处理(电动机速度F/B校正量警戒)。在电动机电流限制处理中，在步骤202把保持电流(基于保持占空的电动机电流)设定为估计的电动机电流。

当结果为“否”时，过程前进到步骤203，在该步骤中判定是否执行了最大延迟控制。在最大延迟控制中，将凸轮轴相位固定在最大延迟相(参考相位)。当步骤203中结果为“是”时，过程前进到步骤204，在该步骤中将指示电流设定为估计的电动机电流。指示电流是根据最大延迟控制的指示占空而确定的电动机电流。

同时，在步骤203的结果为“否”时，过程前进到步骤205，在该步骤中，将目标电动机速度与实际电动机速度之间的偏差乘以F/B增益G，以获得电动机速度F/B量。

电动机速度F/B量＝G×(目标电动机速度-实际电动机速度)

随后，过程前进到步骤206，在该步骤中，将步骤205中计算出的电动机速度F/B量加到目标电动机速度，以获得电动机控制量。

电动机控制量＝目标电动机速度+电动机速度F/B量

随后，过程前进到步骤207，在该步骤中，参照图8所示估计的电动机电流对照图，计算与发动机速度和瞬时电动机控制量相应的估计的电动机电流。在图8的估计的电动机电流对照图中，随着电动机控制量增大，估计的电动机电流也增大；随着发动机速度增大，估计的电动机电流也增大。此外，也可以只根据电动机控制量来对估计的电动机电流进行计算。

此外，也可以根据以目标电动机速度、实际电动机速度和发动机速度为参数的对照图来对估计的电动机电流进行计算。或者，也可以根据以目标电动机速度和实际电动机速度为参数的对照图来对估计的电动机电流进行计算。也可以考虑除了上述之外的其他参数(例如电池电压、凸轮轴相位偏差)来对估计的电动机电流进行计算。

下面将根据图9所示时序图来说明第一实施例的控制处理。

由于在时刻t1之前，估计的电动机电流小于与发热限制电流值相当的阈值，所以不对电动机速度F/B量执行警戒处理。随后，当估计的电动机电流在时刻t1超过阈值时，对电动机速度F/B量的警戒处理开始。用上限警戒值和下限警戒值对电动机速度F/B量进行限制。由此，向EDU 31输出的目标电动机速度的变化(电动机速度F/B量)受到限制，电动机电流受到限制。

随后，在时刻t2，当估计的电动机电流下降到低于阈值时，取消对电动机速度F/B量进行的警戒处理。在此状态下，电动机速度F/B量不被限制在上限警戒值与下限警戒值之间的范围内，它可以建立在该范围之外。根据目标电动机速度(目标曲轴相位)的改变，以高响应性来改变实际电动机速度(实际曲轴相位)。

根据第一实施例，根据目标电动机速度、实际电动机速度和发动机速度来估计电动机电流。在估计的电动机电流超过了与发热限制电流值相当的预定值(阈值)时，从ECU 30向EDU 31输出的目标电动机速度的变化(电动机速度F/B量)受到限制，电动机电流也受到限制。因此，电动机26的热值不会超过发热限制，可以防止电动机26的线圈温度超过允许温度范围。可以防止电动机26的耐久性变差和失效。在此情况下，在对电动机电流进行限制时，响应速度只是变慢，可以执行可变阀正时控制来减小目标凸轮轴相位与实际凸轮轴相位之间的偏差。

[第二实施例]

在图10和图11所示的第二实施例中，估计作为电动机电流信息的施加到电动机26的电压占空，当估计的占空超过预定值时，对从ECU 30向EDU 31输出的目标电动机速度的变化(电动机速度F/B校正量)进行限制，从而限制电动机电流。下面将对图10和图11所示各个程序的处理进行说明。

在图10所示目标电动机速度计算程序中，除了步骤103a和104a之外的处理与图4所示相同。

在步骤101和102对凸轮轴相位偏差和转速F/B校正量进行计算之后，过程前进到步骤103a，在该步骤中，执行图11所示占空估计程序。在步骤103a，根据瞬间目标电动机速度和瞬间实际电动机速度来估计占空比。随后，过程前进到步骤104a，在该步骤中对估计的占空比是否超过了与发热限制占空比相当的指定值进行判定。在步骤104a的结果为“否”时，过程前进到步骤107，在该步骤中利用电动机速度F/B校正量来计算目标电动机速度。

当步骤104a的结果为“是”时，过程前进到步骤105，在该步骤中，根据图7所示上下警戒值对照图，基于瞬时发动机速度来计算上警戒值和下警戒值。然后。过程前进到步骤106，在该步骤中利用步骤105中计算出的上下警戒值对步骤102中计算出的电动机速度F/B量进行警戒处理。然后，过程前进到步骤107，在该步骤利用经警戒处理的转速F/B校正量来计算目标电动机速度。

在图11所示占空比估计程序中，除了步骤202a、204a和207a之外的处理与图4所示电动机电流估计程序中一样。当步骤201中判定为在执行电动机电流限制处理时，过程前进到步骤202a，在该步骤将保持占空设定为估计的占空。

当步骤201的结果为“否”而步骤203的结果为“是”时，过程前进到步骤204a，在该步骤中将最大延迟控制的指示占空设定为估计的占空。

当步骤201和203的结果都为“否”时，过程前进到步骤205和206，对电动机控制量进行计算。随后，过程前进到步骤207a，在该步骤中，根据对照图，基于电动机控制量来对估计的占空比进行计算。

在第二实施例中，对作为电动机电流的信息的施加到电动机26的电压占空进行估计，并在估计的占空超过预定值时对从ECU 30向EDU 31输出的目标电动机速度的变化(电动机速度F/B校正量)进行限制，从而限制电动机电流。因此，可以获得与第一实施例相同的优点。

[第三实施例]

在第一和第二实施例中，当估计的电动机电流(占空)超过指定值时，对电动机电流进行限制。在图12所示第三实施例中，当估计的电动机电流(占空)超过该指定值时，在步骤105a中切断电动机电流，并在步骤106a中停止对可变阀正时控制器18进行的诊断。其他处理与第一实施例中相同。

根据第三实施例，当估计的电流(占空)超过指定值时，切断电动机电流以降低电动机26的线圈温度。此外，由于停止了对可变阀正时控制器18进行的诊断，所以可以防止错误地将通过切断电动机电流来强制停止可变阀正时控制这样的状态判定为故障。

此外，本发明不限于进气阀的可变阀正时控制器，而是还可以应用于排气阀的可变阀正时控制器。此外，可变阀正时装置18的相位改变机构不限于行星齿轮机构。在通过相对于凸轮轴转速改变电动机转速来改变阀正时的情况下，也可以采用其他机构。

Claims

1.一种可变阀正时控制器，其通过以改变凸轮轴相位的方式使电动机(26)的速度相对于凸轮轴(16、17)的转速发生改变，来调节进气阀和/或排气阀的阀正时，所述凸轮轴相位表示所述凸轮轴相对于内燃机(11)的曲轴(12)的转动相位，所述可变阀正时控制器包括：

目标电动机速度计算装置(30)，用于根据所述内燃机(11)的转速、以及目标凸轮轴相位与实际凸轮轴相位之间的偏差，来计算目标电动机速度；

电动机驱动控制装置(31)，用于以使所述目标电动机速度与实际电动机速度之间的偏差减小的方式，对电动机电流进行反馈控制，所述电动机电流表示所述电动机的驱动电流；

电动机电流估计装置(30)，用于估计所述电动机电流；和

电动机电流限制装置(30)，用于在所述电动机电流估计装置估计的电动机电流超过指定值时对所述电动机电流进行限制。

2.根据权利要求1所述的可变阀正时控制器，其中，所述电动机电流估计装置(30)至少根据所述目标电动机速度和所述实际电动机速度来估计所述电动机电流。

3.根据权利要求2所述的可变阀正时控制器，其中，所述电动机电流估计装置(30)至少根据所述目标电动机速度、所述实际电动机速度、以及所述内燃机的转速来估计所述电动机电流。

4.根据权利要求1到3中任意一项所述的可变阀正时控制器，其中，所述电动机电流限制装置(30)在所述估计的电动机电流超过所述指定值时通过对所述目标电动机速度的变化进行限制来限制所述电动机电流。

5.根据权利要求4所述的可变阀正时控制器，其中，所述目标电动机速度计算装置(30)根据所述内燃机(11)的转速、以及所述目标凸轮轴相位与所述实际凸轮轴相位之间的偏差来计算电动机速度校正量，并通过对基本目标电动机速度进行校正来计算所述目标电动机速度，所述基本目标电动机速度对应于所述凸轮轴(16、17)的转速，并且

所述电动机电流限制装置(30)在所述估计的电动机电流超过所述预定值时通过对所述电动机速度校正量进行限制来限制所述目标电动机速度的变化。

6.根据权利要求5所述的可变阀正时控制器，其中，所述电动机电流限制装置(30)根据所述内燃机(11)的转速来改变所述电动机速度校正量的限制范围。

7.根据权利要求1所述的可变阀正时控制器，其中，所述电动机驱动控制装置(31)对施加到所述电动机的电压的占空比进行调节，以控制所述电动机电流，

所述电动机电流估计装置(30)对作为所述电动机电流的信息的施加到所述电动机(26)的电压的所述占空比进行估计，并且

所述电动机电流限制装置(30)在所述电动机电流估计装置估计的所述占空比超过所述指定值时对所述电动机电流进行限制。

8.一种可变阀正时控制器，其通过以改变凸轮轴相位的方式使电动机(26)的速度相对于凸轮轴(16、17)的转速发生改变，来调节进气阀和/或排气阀的阀正时，所述凸轮轴相位表示所述凸轮轴相对于内燃机(11)的曲轴(12)的转动相位，所述可变阀正时控制器包括：

目标电动机速度计算装置(30)，用于根据所述内燃机的转速、以及目标凸轮轴相位与实际凸轮轴相位之间的偏差，来计算目标电动机速度；

电动机电流估计装置(30)，用于估计所述电动机电流；

电动机电流切断装置(30)，用于在所述电动机电流估计装置估计的电动机电流超过预定值时将所述电动机电流切断。

9.一种可变阀正时控制器，其通过以改变凸轮轴相位的方式使电动机(26)的速度相对于凸轮轴(16、17)的转速发生改变，来调节进气阀和/或排气阀的阀正时，所述凸轮轴相位表示所述凸轮轴相对于内燃机(11)的曲轴(12)的转动相位，所述可变阀正时控制器包括：

目标电动机速度计算器(30)，其根据所述内燃机(11)的转速、以及目标凸轮轴相位与实际凸轮轴相位之间的偏差，来计算目标电动机速度；

电动机驱动控制器(31)，其以使所述目标电动机速度与实际电动机速度之间的偏差减小的方式，对电动机电流进行反馈控制，所述电动机电流表示所述电动机的驱动电流；

电动机电流估计器(30)，其估计所述电动机电流；和

电动机电流限制器(30)，其在所述电动机电流估计器估计的电动机电流超过指定值时对所述电动机电流进行限制。

10.一种可变阀正时控制器，其通过以改变凸轮轴相位的方式使电动机(26)的速度相对于凸轮轴(16、17)的转速发生改变，来调节进气阀和/或排气阀的阀正时，所述凸轮轴相位表示所述凸轮轴相对于内燃机(11)的曲轴(12)的转动相位，所述可变阀正时控制器包括：

目标电动机速度计算器(30)，其根据所述内燃机的转速、以及目标凸轮轴相位与实际凸轮轴相位之间的偏差，来计算目标电动机速度；

电动机电流估计器(30)，其估计所述电动机电流；

电动机电流切断器(30)，其在所述电动机电流估计器估计的电动机电流超过预定值时将所述电动机电流切断。