CN1651743A - 用于可变气门装置的控制装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

用于可变气门装置的控制装置及其方法。发动机控制单元诊断对可变气门装置进行控制的单元是否发生了故障，当诊断出该单元发生了故障时，发动机控制单元切断对可变气门装置的致动器的驱动电路的供电。

Description

用于可变气门装置的控制装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种用于可变气门装置的控制装置及其方法，所述可变气门装置改变内燃机中的发动机气门的工作特性。
背景技术
日本未审专利公开No.2001-254637公开了一种用于诊断可变气门升程装置的异常的装置，该可变气门升程装置改变发动机气门的升程量。
在以上诊断装置中，当发动机气门升程量的变化等于或者小于一预定值时，以及当发动机气门升程量与其目标值之间的偏差的绝对值超过一预定值时，判断该可变气门升程装置发生了异常。
如果控制可变气门升程装置的控制单元正常工作，则可以在可变气门升程装置发生异常时执行故障保护(fail-safe)处理。
然而，在上述诊断装置中存在如下问题：如果控制单元发生故障，则不能执行故障保护处理。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种控制装置，该控制装置即使在控制可变气门机构的控制单元发生故障时也能执行故障保护处理。
为了实现上述目的，根据本发明，提供了第二控制单元，其监测控制可变气门装置的第一控制单元的工作状态，以诊断第一控制单元是否发生故障。
根据以下参照附图的描述，可以理解本发明的其它目的和特征。
附图说明
图1是本发明实施例中的发动机的系统图。
图2是示出该实施例中的可变气门动作和升程机构的剖视图(图3中的A-A剖视图)。
图3是可变气门动作和升程机构的侧视图。
图4是可变气门动作和升程机构的俯视图。
图5是示出用在可变气门动作和升程机构中的偏心凸轮的立体图。
图6是示出可变气门动作和升程机构的低升程控制状态的剖视图(图3中的B-B剖视图)。
图7是示出可变气门动作和升程机构的高升程控制状态的剖视图(图3中的B-B剖视图)。
图8是示出可变气门特征机构中的进气门的升程特征的曲线图。
图9是示出可变气门动作和升程机构中的气门正时(valve timing)与升程量之间的关系的曲线图。
图10是示出可变气门动作和升程机构中的控制轴的驱动机构的立体图。
图11是VEL控制器的电路框图。
图12是示出发动机控制模块(ECM)对目标值的计算处理的流程图。
图13是示出VEL控制器对数据的发送和接收处理的流程图。
图14是示出VEL控制器对可变气门动作和升程机构的控制的流程图。
图15是示出ECM对VEL控制器的故障诊断和故障保护处理的流程图。
具体实施方式
图1是实施例中的车辆发动机的系统图。
在图1中，在内燃机101的进气管102中，设置有电子控制节气门104。
电子控制节气门104是用于通过节气门电机103a来驱动节气门103b以使之打开和关闭的装置。
于是，空气通过电子控制节气门104和进气门105被吸入发动机101的燃烧室106中。
燃烧后的废气通过排气门107从燃烧室106排出，然后由前催化剂108和后催化剂109加以净化以排入大气。
排气门107由凸轮111驱动以打开和关闭，同时保持固定的升程量、固定的气门工作角和固定的气门正时，所述凸轮111由排气侧凸轮轴110轴向支承。
另一方面，设置有可变气门动作和升程(VEL)机构112，其连续改变进气门105的升程量及其工作角。
这里设置有发动机控制模块(ECM)114和VEL控制器113。
ECM 114(第二控制单元)计算目标升程量，VEL控制器113(第一控制单元)控制VEL机构112以获得目标升程量。
ECM 114接收来自各种传感器的检测信号。
作为所述各种传感器，设置有：检测发动机101的进气流量的空气流量计115；检测加速装置(accelerator)开度的加速装置开度传感器116；从曲轴120获取曲轴转动信号的曲轴角传感器117；检测节气门103b的开度TVO的节气门传感器118；以及检测发动机101的冷却水温度的水温传感器119。
此外，在进气门105上游侧的进气口130上设置有燃料喷射阀131。
燃料喷射阀131基于来自ECM 114的喷射脉冲信号被驱动开启，以喷射与喷射脉冲信号的喷射脉冲宽度成比例的量的燃料。
此外，ECM 114基于燃料喷射脉冲宽度和发动机转速来计算点火正时(点火提前值)，以通过火花塞(图中未示出)控制点火正时。
图2到图4详细地示出了VEL机构112的结构。
图2到图4所示的VEL机构112包括：一对进气门105、105；中空的凸轮轴13，其由汽缸盖11的凸轮轴承14可转动地支承；两个偏心凸轮15、15(驱动凸轮)，它们是由凸轮轴13轴向支承的转动凸轮；控制轴16，其由凸轮轴承14可转动地支承，并被平行地设置在凸轮轴13的上部位置；一对摇臂18、18，其由控制轴16通过控制凸轮17摆动地支承；以及一对独立的摆动凸轮20、20，其分别通过气门升程装置19、19设置到进气门105、105的上端部。
偏心凸轮15、15分别通过连接臂(link arm)25、25与摇臂18、18相连接。摇臂18、18通过连接件(link member)26、26与摆动凸轮20、20相连接。
摇臂18、18，连接臂25、25以及连接件26、26构成传动机构。
如图5所示，各偏心凸轮15被形成为大体环形，并包括小直径的凸轮体15a、在凸轮体15a的外表面上一体地形成的凸缘部15b。沿轴向贯穿偏心凸轮15的内部形成有凸轮轴插入孔15c，此外，凸轮体15a的中心轴X从凸轮轴13的中心轴Y偏离预定量。
偏心凸轮15、15分别在气门升程装置19、19的外侧通过凸轮轴插入孔15c被压入并固定于凸轮轴13，从而不会与气门升程装置19、19发生干扰。
如图4所示，每个摇臂18都被弯曲并形成为大体曲轴形状，其中央基部18a由控制凸轮17可转动地支承。
销孔18d被形成为贯穿一个端部18b，该端部18b被形成为从基部18a的外端部突出。要与连接臂25的梢部相连接的销21被压入销孔18d中。销孔18e被形成为贯穿另一个端部18c，该端部18c被形成为从基部18a的内端部突出。要与各连接件26的一个端部26a(稍后要说明)相连接的销28被压入销孔18e中。
控制凸轮17形成为圆柱形状并固定到控制轴16的外周。如图2所示，控制凸轮17的中心轴P1的位置从控制轴16的中心轴P2的位置偏离α。
如图2、图6和图7所示，摆动凸轮20形成为大体横U形，并且支承孔22a形成为贯穿大体环形的基端部22。凸轮轴13插入到支承孔22a中以受到可转动支承。此外，销孔23a形成为贯穿位于摇臂18的另一个端部18c处的端部23。
在摆动凸轮20的底面上形成有：基端部22侧的基圆面24a；和凸轮表面24b，其以弧形从基圆面24a延伸到端部23的边缘。基圆面24a和凸轮表面24b接触与摆动凸轮20的摆动位置相对应的各气门升程装置19的上表面的预定位置。
即，根据图8所示的气门升程特性，如图2所示，基圆面24a的预定角度范围θ1是基圆区间(base circle interval)，从凸轮表面24b的基圆区间θ1到预定角度范围θ2的范围是所谓的斜坡区间(ramp interval)，从凸轮表面24b的斜坡区间θ2到预定角度范围θ3的范围是升程区间。
连接臂25包括：环形的基部25a；和突出地形成在基部25的外表面的预定位置上的凸出端25b。在基部25a的中央位置上形成有配合孔25c，该配合孔25c将与偏心凸轮15的凸轮体15a的外表面可转动地配合。此外，销孔25d形成为贯穿突出端25b，销21被可转动地插入该销孔25d中。
连接件26形成为预定长度的直线形状，销插入孔26c、26d形成为贯穿两个圆端部26a、26b。分别压入到摇臂18的另一端部18c的销孔18d和摆动凸轮20的端部23的销孔23a中的销28、29的端部，可转动地插入到销插入孔26c、26d中。
在各销21、28、29的端部上设置有限制连接臂25和连接件26的轴向移动的止动环30、31、32。
在这种结构中，如图6和图7所示，气门升程量根据控制轴16的中心轴P2与控制凸轮17的中心轴P1之间的位置关系而变化，并且，通过驱动控制轴16使之转动，使得控制轴16的中心轴P2相对于控制凸轮17的中心轴P1的位置发生变化。
如图10所示，控制轴16被DC伺服电机(致动器)121驱动，以在由止动器所限定的预定转动角度范围内转动。通过由致动器121改变控制轴16的转动角度，使得各进气门105、105的升程量和工作角在最大气门升程量与最小气门升程量之间的可变范围内连续变化，该可变范围由止动器限定(参见图9)。
在图10中，DC伺服电机121被设置为使其转动轴平行于控制轴16，并且，所述转动轴的梢部轴向支承锥齿轮(bevel gear)122。
另一方面，一对撑杆(stay)123a、123b固定于控制轴16的梢端。螺母124被摆动支承在与控制轴16平行的轴周围，所述控制轴16连接所述一对撑杆123a、123b的端部。
与锥齿轮122啮合的锥齿轮126在与螺母124接合的螺杆125的梢端处受到轴向支承。DC伺服电机121的转动使螺杆125转动，并且，与螺杆125接合的螺母124的位置在螺杆125的轴向上发生位移，从而使控制轴16转动。
这里，气门升程量随着螺母124的位置接近锥齿轮126而减小，而且气门升程量随着螺母124的位置远离锥齿轮126而增大。
此外，如图10所示，在控制轴16的梢端上设置有检测控制轴16的角度的电位计型角度传感器127。VEL控制器113对DC伺服电机121进行反馈控制，以使得角度传感器127检测到的角度与目标角度(相当于目标升程量的值)一致。
止动件128被形成为从控制轴16的外周突出。
当止动件128在气门升程量增大方向和气门升程量减小方向上与固定侧的承受部件(receiving member)  (图中未示出)相接触时，限定了控制轴16的转动范围(气门升程量的可变范围)。
图11示出了VEL控制器113的构造。
向VEL控制器113提供电池电压，并通过供电电路301向CPU 302供电。
此外，来自供电电路301的供电电压通过供电缓冲电路303提供给角度传感器127a、127b。
通过输入电路304a、304b，将来自角度传感器127a、127b的输出信号读入CPU 302。
此外，设置有用于驱动DC伺服电机121的电机驱动电路305。
电机驱动电路305是PWM系统驱动电路，其基于从CPU 302输出的控制信号(脉冲宽度调制信号PWM)的直流电平，改变用于使DC伺服电机121的驱动电源接通/断开的脉冲信号的脉冲宽度，以改变所述脉冲信号的通态占宽(ON duty)，从而控制DC伺服电机121的平均电压。
为了沿正向转动方向以及沿反向转动方向驱动DC伺服电机121，从CPU 302向电机驱动电路305输入用于正向和反向转动的控制信号，而不是脉冲宽度调制信号PWM。
电池电压通过中继电路306提供到电机驱动电路305。
中继电路306受到中继驱动电路114c驱动以接通/断开。
基于来自CPU 114a的端口输出来控制中继驱动电路114c。
此外，设置有电流检测电路308，其检测DC伺服电机121的电流。
此外，VEL控制器113配置有用于在VEL控制器113与ECM 114之间进行通信的通信电路309。ECM 114配置有用于与VEL控制器进行通信的通信电路114b。这样，可在VEL控制器113与ECM 114之间进行相互通信。
然后，将在ECM 114中计算出的控制轴16的目标角度发送到VEL控制器113，同时将角度传感器127检测到的控制轴16的角度REVEL从VEL控制器113发送到ECM 114。
图12的流程图示出了ECM 114对目标值的计算处理。
在步骤S11中，读取表示发动机工作状态的数据，例如油门开度、发动机转速等。
在步骤S12中，基于步骤S11中读取的数据来计算目标发动机转矩。
在步骤S13中，基于目标发动机转矩来计算控制轴16的目标角度TGVEL和目标节气门开度TGTVO。
在步骤S14中，将目标角度TGVEL的数据发送到VEL控制器113。
图13中的流程图示出了VEL控制器113对数据的发送和接收处理。
在步骤S41中，接收来自ECM 114的包括目标角度TGVEL的发送数据。
在步骤S42中，将角度传感器127检测到的控制轴16的角度REVEL的数据发送到ECM 114。
图14中的流程图示出了VEL控制器113对VEL机构112的控制。
在步骤S31中，读取从ECM 114发送的目标角度TGVEL的数据。
在步骤S32中，读取角度传感器127检测到的控制轴16的角度REVEL。
在步骤S33中，计算目标角度TGVEL和角度REVEL之间的偏差，并基于该偏差计算DC伺服电机121的反馈操作量。
在步骤S34中，基于在步骤S33中计算出的反馈操作量，输出用于驱动DC伺服电机121的脉冲宽度调制信号PWM。
图15中的流程图示出了ECM 114对VEL控制器113的故障诊断和故障保护处理。
在图15的流程图中，在步骤S21，读取目标角度TGVEL。
在步骤S22中，读取从VEL控制器113发送的角度REVEL。
在步骤S23中，计算目标角度TGVEL和角度REVEL之间的偏差ERR。
ERR＝TGVEL-REVEL
在步骤S24中，计算偏差ERR的累计值∑ERR。
在步骤S25中，判断累计值∑ERR是否在预定范围之内。
然后，当累计值∑ERR在预定范围之外时，控制进行到步骤S26。
在步骤S26中，判断VEL控制器113发生了故障。
此外，在步骤S26中，将中继驱动电路114c控制为使中继电路306断开。结果，强制切断向电机驱动电路305的供电，从而停止对DC伺服电机121的驱动。
根据本实施例，通过ECM 114来诊断VEL控制器113中的反馈控制功能的故障。
此外，当VEL控制器113中的反馈控制功能发生故障时，由于ECM 114强制停止对DC伺服电机121的驱动，因此可以避免VEL机构112被VEL控制器113错误地控制。
此外，诊断VEL控制器113是否发生故障的ECM 114具有控制发动机101的燃料喷射量和点火正时的功能，以及计算目标角度TGVEL的功能，因此ECM 114并不是专门为故障诊断而设置的。因此可以避免系统成本的增加。
应注意，可以在对与发动机101结合的自动变速器进行控制的控制单元中计算可变气门装置的目标受控变量并进行故障诊断，以取代ECM 114。
通过引用将2004年2月6日提交的日本专利申请No.2004-031032的全部内容并入于此，并要求其优先权。
尽管仅选择了精选实施例来例示本发明，但是对于本领域技术人员，很明显根据本公开可以在不脱离如所附权利要求所限定的发明范围的情况下对其做出各种变化和修改。
此外，仅出于示例的目的提供对根据本发明的实施例的前述描述，其目的不是对所附权利要求及其等同物中所限定的本发明进行限制。

Claims (19)

1、一种用于可变气门装置的控制装置，该可变气门装置改变内燃机中的发动机气门的工作特性，所述控制装置包括：
第一控制单元，其控制所述可变气门装置；以及
第二控制单元，其监测所述第一控制单元的工作状态，以诊断所述第一控制单元是否发生了故障。
2、如权利要求1所述的用于可变气门装置的控制装置，
其中，所述第二控制单元当诊断出所述第一控制单元发生故障时强制停止所述可变气门装置的工作。
3、如权利要求2所述的用于可变气门装置的控制装置，
其中，所述第二控制单元当诊断出所述第一控制单元发生故障时强制切断向所述可变气门装置的供电。
4、如权利要求3所述的用于可变气门装置的控制装置，还包括：
由所述第二控制单元控制以接通/断开的中继部，其被设置给所述可变气门装置的电源电路。
其中，所述第二控制单元当诊断出第一控制单元发生故障时将所述中继部断开以强制切断向所述可变气门装置的供电。
5、如权利要求4所述的用于可变气门装置的控制装置，
其中，所述可变气门装置由电致动器操作，
所述第一控制单元包括用于所述致动器的驱动电路，并且
所述中继部被设置给用于所述驱动电路的电源电路。
6、如权利要求1所述的用于可变气门装置的控制装置，
其中，所述第二控制单元是对所述内燃机的燃料喷射量进行控制的控制单元。
7、如权利要求1所述的用于可变气门装置的控制装置，还包括：
与所述内燃机结合的自动变速器，
其中，所述第二控制单元是对所述自动变速器进行控制的控制单元。
8、如权利要求1所述的用于可变气门装置的控制装置，还包括：
第一检测器，其检测所述内燃机的工作状态；以及
第二检测器，其检测所述可变气门装置的受控变量，
其中，所述第二控制单元接收来自所述第一检测器的检测信号，基于所述内燃机的工作状态来计算所述可变气门装置的受控变量的目标值，并将该目标值发送给所述第一控制单元；
所述第一控制单元接收来自所述第二检测器的检测信号和所述目标值，基于所述可变气门装置的受控变量和所述目标值来计算应输出给所述可变气门装置的操作量，同时将所述可变气门装置的受控变量输出给所述第二控制单元；并且
所述第二控制单元基于所述受控变量和所述目标值来诊断所述第一控制单元是否发生了故障。
9、如权利要求8所述的用于可变气门装置的控制装置，
其中，所述第二控制单元对所述受控变量与所述目标值之间的偏差进行累计，并且当所述累计值在预定范围之外时诊断所述第一控制单元发生了故障。
10、一种用于可变气门装置的控制装置，该可变气门装置改变内燃机中的发动机气门的工作特性，所述控制装置包括：
第一控制装置，用于控制所述可变气门装置；以及
第二控制装置，用于监测所述第一控制装置的工作状态，以诊断所述第一控制装置是否发生了故障。
11、一种用于可变气门装置的控制方法，该可变气门装置改变内燃机中的发动机气门的工作特性，所述控制方法包括以下步骤：
通过第一控制单元控制所述可变气门装置；
设置第二控制单元，其监测所述第一控制单元的工作状态；以及
通过所述第二控制单元诊断所述第一控制单元是否发生了故障。
12、如权利要求11所述的用于可变气门装置的控制方法，还包括以下步骤：
当诊断出所述第一控制单元发生了故障时，通过所述第二控制单元强制停止所述可变气门装置的工作。
13、如权利要求12所述的用于可变气门装置的控制方法，
其中，所述强制停止所述可变气门装置的工作的步骤包括以下步骤：
强制切断向所述可变气门装置的供电。
14、如权利要求13所述的用于可变气门装置的控制方法，
其中，所述强制切断向所述可变气门装置的供电的步骤包括以下步骤：
对所述可变气门装置的电源电路设置中继部，该中继部由所述第二控制单元控制以接通/断开；以及
当诊断出所述第一控制单元发生了故障时，通过所述第二控制单元断开所述中继部。
15、如权利要求14所述的用于可变气门装置的控制方法，
其中，所述第一控制单元包括用于所述可变气门装置的电致动器的驱动电路，并且
所述设置中继部的步骤对用于所述驱动电路的电源电路设置所述中继部。
16、如权利要求11所述的用于可变气门装置的控制方法，
其中，所述第二控制单元是对所述内燃机的燃料喷射量进行控制的控制单元。
17、如权利要求11所述的用于可变气门装置的控制方法，
其中，所述第二控制单元是对与所述内燃机结合的自动变速器进行控制的控制单元。
18、如权利要求11所述的用于可变气门装置的控制方法，还包括以下步骤：
由所述第二控制单元基于所述内燃机的工作状态来计算所述可变气门装置的受控变量的目标值；
将所述目标值从所述第二控制单元发送到所述第一控制单元；
由所述第一控制单元基于所述可变气门装置的受控变量和所述目标值来计算应输出给所述可变气门装置的操作量；以及
将所述受控变量从所述第一控制单元发送到所述第二控制单元，
其中，所述诊断所述第一控制单元是否发生了故障的步骤包括以下步骤：
基于所述受控变量和所述目标值来诊断所述第一控制单元是否发生了故障。
19、如权利要求18所述的用于可变气门装置的控制方法，
其中，所述诊断所述第一控制单元是否发生了故障的步骤包括以下步骤：
对所述受控值和所述目标值之间的偏差进行累计；
判断所述累计值是否在所述预定范围之外；以及
当所述累计值在预定范围之外时，诊断所述第一控制单元发生了故障。
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