JP2004293520A

JP2004293520A - バルブタイミング制御システムの異常診断装置

Info

Publication number: JP2004293520A
Application number: JP2003090724A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Nishimura; 利彦西村
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21
Also published as: US7036358B2; US20040187566A1

Abstract

【課題】バルブタイミング制御システムに対する異常診断の診断領域を拡大すると共に、迅速且つ確実に異常を検出する。
【解決手段】失火診断条件及びバルブタイミング制御システムの診断条件が成立する場合、エンジン回転数の変化を表す失火診断値をバルブタイミング制御システムの異常を診断するための診断値ＤＩＡＧとして用い、予め設定した判定閾値ＤＩＡＧＳＥＴと比較する（Ｓ１０３）。その結果、ＤＩＡＧ≦ＤＩＡＧＳＥＴの場合には、バルブタイミング制御システムは正常であると判定し（Ｓ１０４）、ＤＩＡＧ＞ＤＩＡＧＳＥＴの場合、バルブタイミング制御システムに異常有りと判定する（Ｓ１０５）。これにより、運転領域に拘わらず、可変バルブタイミング機構の摺動不良や固着等による応答性悪化を迅速且つ確実に検出することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのクランク軸とカム軸との間の回転位相を調整するバルブタイミングシステムの異常診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンのクランク軸とカム軸との間の回転位相を調整するバルブタイミング制御システムを備えたエンジンが実用化されており、この種のバルブタイミング制御システムでは、エンジン運転状態に応じて可変バルブタイミング機構を制御し、吸気バルブと排気バルブとの少なくとも一方のバルブタイミングを連続的に変更する。
【０００３】
このようなバルブタイミング制御システムでは、万一の故障発生に備えて異常診断装置が必要であり、例えば、特開２００１−２０７９８号公報には、失火の発生頻度を運転領域別にモニタし、失火発生頻度が低速低負荷運転領域のみで高まっている場合には、排気系の高速用カムがロックしていると判定し、失火発生頻度が低速低負荷運転及び中速中負荷運転領域において高まっている場合には、吸気系の高速用カムがロックしていると判定する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２０７９８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１のように失火の発生頻度を運転領域別にモニタする技術では、頻度計算のための演算負荷が増大し、処理遅れ等により判定までに時間がかかるばかりでなく、検出ミスが発生する虞がある。更には、異常判定を低速低負荷運転領域及び中速中負荷運転領域のみに適用しているため、診断領域が限定されてしまう。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、異常診断の診断領域を拡大すると共に、迅速且つ確実に異常を検出することのできるバルブタイミング制御システムの異常診断装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による第１の異常診断装置は、エンジンのクランク軸とカム軸との間の回転位相を調整するバルブタイミング制御システムの異常診断装置であって、運転条件の変化に伴うエンジン回転数の変化を検出し、このエンジン回転数の変化に基づいて診断値を算出する手段と、上記診断値を予め設定した判定閾値と比較し、上記診断値が上記判定閾値を越えたとき、異常発生と判断する手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明による第２の異常診断装置は、エンジンのクランク軸とカム軸との間の回転位相を調整するバルブタイミング制御システムの異常診断装置であって、運転条件の変化に伴うエンジン回転数の変化を検出し、このエンジン回転数の変化が収束するまでの収束時間を算出する手段と、上記収束時間が予め設定した時間を越えたとき、異常発生と判断する手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１及び図２は本発明の実施の第１形態に係わり、図１は可変バルブタイミング機構付きエンジンの全体構成図、図２は異常診断ルーチンのフローチャートである。
【００１０】
先ず、本発明が適用される可変バルブタイミング機構付きエンジンの全体構成について説明する。図１において、符号１は、可変バルブタイミング機構付きエンジン（以下、単に「エンジン」と略記する）であり、図においては、シリンダブロック１ａがクランク軸１ｂを中心として左右２つのバンク（図の右側が左バンク、左側が右バンク）に分割される水平対向型４気筒エンジンを示す。このエンジン１のシリンダブロック１ａの左右両バンクには、シリンダヘッド２がそれぞれ設けられ、各シリンダヘッド２に、吸気ポート２ａと排気ポート２ｂとが気筒毎に形成されている。
【００１１】
シリンダヘッド２の各吸気ポート２ａにはインテークマニホルド３が連通され、このインテークマニホルド３に各気筒の吸気通路が集合するエアチャンバ４を介して、アクセルペダルに連動するスロットル弁５ａが介装されたスロットルチャンバ５が連通されている。そして、このスロットルチャンバ５の上流に吸気管６を介してエアクリーナ７が取付けられ、このエアクリーナ７に接続されるエアインテーク通路にチャンバ８が連通されている。
【００１２】
また、吸気管６にはスロットル弁５ａをバイパスするバイパス通路９が接続されており、このバイパス通路９に、アイドル時にその弁開度によって該バイパス通路９を流れるバイパス空気量を調整することでアイドル回転数を制御するアイドル制御弁１０が介装されている。また、インテークマニホルド３の各気筒の吸気ポート２ａの直上流にインジェクタ１１が配設され、放電電極を燃焼室に露呈する点火プラグ１２がシリンダヘッド２の各気筒毎に配設されている。各点火プラグ１２は、イグナイタ内蔵のイグニッションコイル１３に接続されている。
【００１３】
更に、シリンダヘッド２の各排気ポート２ｂにエキゾーストマニホルド１４が連通され、このエキゾーストマニホルド１４の集合部に排気管１５が連通されている。この排気管１５には触媒コンバータ１６が介装され、マフラ１７に連通されている。
【００１４】
一方、左右バンクの各シリンダヘッド２内に、それぞれ吸気カム軸１９、排気カム軸２０が配設され、クランク軸１ｂの回転が、各吸気カム軸１９、各排気カム軸２０に、クランク軸１ｂに固設されたクランクプーリ２１、タイミングベルト２２、吸気カム軸１９に介装された吸気カムプーリ２３、排気カム軸２０に固設された排気カムプーリ２４等を介して伝達される。そして、吸気カム軸１９に設けられた吸気カム、及び排気カム軸２０に設けられた排気カムにより、それぞれクランク軸１ｂと２対１の回転角度に維持される各カム軸１９，２０の回転に基づいて、吸気バルブ２５、排気バルブ２６が開閉駆動される。
【００１５】
左右バンクの各吸気カム軸１９と吸気カムプーリ２３との間には、吸気カムプーリ２３と吸気カム軸１９とを相対回動してクランク軸１ｂに対する吸気カム軸１９の回転位相（変位角）を連続的に変更する周知の油圧駆動式可変バルブタイミング機構２７がそれぞれ配設されている。本形態においては、各バンクの可変バルブタイミング機構２７を吸気カム軸１９側にのみ設け、排気バルブ２６の開閉タイミングに対し、吸気バルブ２５の開閉タイミングをエンジン運転状態に応じて変更する。
【００１６】
各バンクの可変バルブタイミング機構２７には、それぞれ、オイルパン１ｃから図示しないオイルポンプを介して供給される作動油圧を調整するためのオイルフロー制御弁２８が備えられ、マイクロコンピュータ等からなる電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」と略記する）５０によって制御される。オイルフロー制御弁２８は、例えばＥＣＵ５０によりデューティ制御されるスプール弁であり、通電電流に比例してオイルフロー制御弁２８のスプールが軸方向に移動し、可変バルブタイミング機構２７の進角室（進角作動の油圧室）、遅角室（遅角作動の油圧室）に連通する各ポートを切換えてオイルの流れ方向を切換えると共にパッセージの開度を調整し、可変バルブタイミング機構２７の進角室、遅角室に供給する油圧の大きさが調整される。尚、可変バルブタイミング機構２７の詳細な構成については、例えば、本出願人による特開２０００−９７０９６号公報に詳述されている。
【００１７】
次に、エンジン１に取付けられたセンサ類について説明する。吸気管６のエアクリーナ７の直下流には、ホットワイヤ或いはホットフィルム等を用いた吸入空気量センサ３０が介装され、スロットルチャンバ５に配設されたスロットル弁５ａに、スロットル開度センサ３１が連設されている。また、エンジン１のオイルパン１ｃに油温センサ３２が臨まされると共に、シリンダブロック１ａの左右両バンクを連通する冷却水通路３３に水温センサ３４が臨まされ、触媒コンバータ１６の上流側に、Ｏ２センサ等の空燃比センサ３５が配設されている。
【００１８】
更に、エンジン１のクランク軸１ｂに軸着するクランクロータ３６の外周に、クランク角センサ３７が対設され、クランク軸１ｂに対して１／２回転する一方のバンク（図においては、左バンク）の吸気カムプーリ２３の裏面に、気筒判別センサ３８が対設されている、各バンクの吸気カム軸１９の後端に固設されたカムロータ３９の外周には、カム位置検出用のカム位置センサ４０がそれぞれ対設されている。
【００１９】
以上の各センサ類の出力信号は、ＥＣＵ５０に入力されて処理され、エンジン運転状態が検出される。ＥＣＵ５０は、予め内部に格納されている制御プログラムに従って、各センサ類・スイッチ類等からの信号を処理し、前述のインジェクタ１１、イグニッションコイル１３に内蔵されるイグナイタ、アイドル制御弁１０、可変バルブタイミング機構２７のオイルフロー制御弁２８等に対する制御量を演算し、燃料噴射制御、点火時期制御、アイドル回転数制御、バルブタイミング制御等のエンジン制御を行う。
【００２０】
ここで、バルブタイミング制御においては、エンジン運転状態、例えばエンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて、クランク軸１ｂの回転角と吸気カム軸１９の回転角との位相差の制御目標値である目標バルブタイミングを設定すると共に、クランク角センサ３７から出力されるクランク角を表すクランクパルスとカム位置センサ４０から出力されるカム位置を表すカム位置パルスとから、クランク軸１ｂの実際の回転角と吸気カム軸１９の実際の回転角との位相差である実バルブタイミングを算出する。そして、この実バルブタイミングが目標バルブタイミングに収束するよう、オイルフロー制御弁２８を介して可変バルブタイミング機構２７をフィードバック制御する。
【００２１】
同時に、ＥＣＵ５０は、システムに対する自己診断の一環として、可変バルブタイミング機構２７やオイルフロー制御弁２８及びその制御系を含むバルブタイミング制御システムの異常診断を定期的に実施するようにしている。このバルブタイミング制御システムの異常診断では、オイル中の不純物や劣化による異物の堆積・沈殿等による各摺動部の摺動性不良による応答性の悪化や異物の噛み込みによる固着等の異常発生を、バルブタイミング制御の最適状態からのずれを調べることで検出する。
【００２２】
すなわち、バルブタイミング制御の応答性悪化や固着による作動不良が発生すると、各気筒のバルブタイミング制御が最適状態からずれて不完全燃焼（又は失火）が発生し、エンジン回転数の変動が発生するため、このエンジン回転数の変動をモニタすることで、最適状態からのずれを検出して異常発生の有無を診断する。
【００２３】
以下、ＥＣＵ５０によるバルブタイミング制御システムの異常診断について、図２に示す異常診断ルーチンのフローチャートを用いて説明する。
【００２４】
この異常診断ルーチンは、所定時間或いは所定周期毎に実行され、先ず、ステップＳ１０１で、現在の運転状態が失火診断条件が成立する運転状態にあるか否かを判断する。この失火診断条件は、例えば、燃料カットを実行中でないこと等である。
【００２５】
そして、ステップＳ１０１において、失火診断条件が成立しない場合には、可変バルブタイミングシステムの診断を実行せずに一旦ルーチンを抜け、失火診断条件が成立する場合、ステップＳ１０２へ進んで、バルブタイミング制御システムの診断条件が成立するか否かを判断する。このバルブタイミング制御システムの診断条件は、例えば、エンジン回転数Ｎｅや吸気管圧力ＰＭが安定している運転状態にある条件である。
【００２６】
その結果、バルブタイミング制御システムの診断条件が成立しない場合には、同様に、バルブタイミング制御システムの診断を実行せずにルーチンを抜け、バルブタイミング制御システムの診断条件が成立する場合、ステップＳ１０２からステップＳ１０３へ進み、運転条件の変化に伴うエンジン回転数の変化が設定範囲内か否かを調べる。
【００２７】
すなわち、バルブタイミング制御においては、エンジン負荷とエンジン回転数とによる運転状態に応じて目標バルブタイミングを設定し、エンジンを最適な状態に制御するようにしており、低負荷低回転のアイドル領域においては、例えば、目標バルブタイミングを最遅角として吸気バルブ２５の開閉タイミングを進角量＝０°の最遅角状態に制御し、排気バルブ２６と吸気バルブ２５とのオーバラップをなくしてアイドル回転安定化を図っている。
【００２８】
また、中負荷運転領域では、目標バルブタイミングを小〜中の進角量に設定し、吸気バルブ２５の開閉タイミングを進角側に制御し、排気バルブ２６と吸気バルブ２５とのオーバラップ量を大きくして内部ＥＧＲ率を増加することで、エンジンのポンピングロスを低減して燃費の向上を図る一方、高負荷運転領域では、目標バルブタイミングを進角量大に設定して吸気バルブ２５の開閉タイミングを中負荷域よりも進角側に制御し、排気バルブ２６と吸気バルブ２５とのオーバラップを更に増加させて充填効率及び掃気効率を高め、エンジン出力を向上するようにしている。更に、低負荷高回転の運転領域では、目標バルブタイミングを進角量小として吸気バルブ２５の開閉タイミングを遅角側に制御し、バルブオーバラップ量を減少させてエンジンの過回転を防止するようにしている。
【００２９】
従って、運転条件が変化したとき、例えば、走行状態からアイドル状態へ運転条件が変化したときには、目標バルブタイミングが進角側から遅角側へと変化し、トルク変化によるエンジン回転数の変動が発生する。このエンジン回転数の変動は、可変バルブタイミングシステムが正常であれば比較的小さいが、可変バルブタイミングシステムに異常が発生すると、大きな変動となって現れる。特に、本形態のエンジン１では、バルブタイミング制御システムが正常に作動しているバンクと、バルブタイミング制御システムに異常が発生したバンクとの間に生じるトルク差によりエンジン回転数にバラツキが発生し、あたかも失火が発生したかのような挙動を示す。
【００３０】
一般に、失火が発生したか否かは、燃焼行程の気筒のエンジン回転数と、１燃焼行程前の気筒のエンジン回転数との差（差回転）の変化によって判断しており、失火診断値（差回転の変化）が、２燃焼行程前の気筒と１燃焼行程前の気筒との間で判定レベル以下の負の値となり、且つ、１燃焼行程前の気筒と燃焼行程気筒との間で判定レベル以上の正の値となったとき、１燃焼行程前の気筒が失火状態であると判定する。従って、この失火診断値（絶対値）をバルブタイミング制御システムの異常を診断するための診断値ＤＩＡＧとして用い、この診断値ＤＩＡＧをモニタすることでバルブタイミング制御システムの異常を判断することができる。
【００３１】
このため、ステップＳ１０３では、診断値ＤＩＡＧを予め設定した判定閾値ＤＩＡＧＳＥＴと比較する。判定閾値ＤＩＡＧＳＥＴは、エンジン特性や可変バルブタイミング機構２７の特性を考慮して予めシミュレーション或いは実験等により求めた正常範囲を規定する値であり、ＥＣＵ５０内のメモリに固定データとしてストアされている。
【００３２】
その結果、ＤＩＡＧ≦ＤＩＡＧＳＥＴの場合には、ステップＳ１０４でバルブタイミング制御システムは正常であると判定してルーチンを抜け、ＤＩＡＧ＞ＤＩＡＧＳＥＴの場合、ステップＳ１０５でバルブタイミング制御システムに異常有りと判定し、異常データを診断用のバックアップメモリにストアすると共に運転者に異常発生を警告し、ルーチンを抜ける。
【００３３】
尚、ステップＳ１０３においては、診断値ＤＩＡＧとして、失火診断値そのものではなく、失火診断値（絶対値）を積分した値、すなわちエンジン回転数変化量の積分値を用いても良く、このエンジン回転数変化量の積分値を予め設定しておいた判定閾値と比較し、判定閾値を越えた場合、バルブタイミング制御システムが異常であると判定するようにしても良い。
【００３４】
このように本実施の形態では、運転条件が変化したときのエンジン回転数変化量（或いはエンジン回転数変化量の積分値）が判定閾値を越えた場合、バルブタイミング制御システムが異常であると診断するため、運転領域に拘わらず、可変バルブタイミング機構２７の摺動部の摺動不良や固着等による応答性悪化を迅速且つ確実に検出することができる。
【００３５】
しかも、摺動部の固着又は固着に近い状態は勿論のこと、油圧が規定よりも高くなって可変バルブタイミング機構２７に応答遅れが発生し、目標進角に対して実進角の応答性が悪化した場合においても、的確に異常を検出し、診断精度を向上することができる。
【００３６】
図３は本発明の実施の第２形態に係わり、異常診断ルーチンのフローチャートである。
【００３７】
前述の第１形態では、運転条件が変化したときのエンジン回転数の変動が所定レベル（判定閾値）を越えたか否かにより異常発生の有無を判断している。これに対し、第２形態は、エンジン回転数の変動が収束するまでに要する時間をモニタすることで、異常発生の有無を診断するものである。
【００３８】
このため、第２形態の異常診断ルーチンでは、図３に示すように、第１形態の異常診断ルーチンと同様のステップＳ２０１，Ｓ２０２を経て、失火診断条件及びバルブタイミング制御システムの診断条件が成立したとき、ステップＳ２０３へ進み、運転条件の変化に伴うエンジン回転数の変化量（失火診断値）ΔＮが設定値ＮＳＥＴを越えたか否かを調べる。設定値ＮＳＥＴは、エンジン回転数の変動が定常値に収束していると見做し得る値である。
【００３９】
その結果、ΔＮ≦ＮＳＥＴの場合には、ステップＳ２０３からステップＳ２０６へ進んで、エンジン回転数の変動が収束するまでの時間を計時するためのタイマＣをクリアし（Ｃ←０）、ステップＳ２０７で、バルブタイミング制御システムは正常であると判定してルーチンを抜ける。
【００４０】
一方、ステップＳ２０３において、ΔＮ＞ＮＳＥＴの場合には、ステップＳ２０３からステップＳ２０４へ進んでタイマＣをカウントアップし（Ｃ←Ｃ＋１）、ステップＳ２０５で、タイマＣが設定時間ＣＳＥＴを越えたか否かを調べる。この設定時間ＣＳＥＴは、バルブタイミング制御システムが正常に機能する場合の応答性に基づく時間であり、エンジン特性や可変バルブタイミング機構２７の特性を考慮して予めシミュレーション或いは実験等により求めた時間データがＥＣＵ５０内のメモリにストアされている。
【００４１】
そして、ステップＳ２０５において、Ｃ≦ＣＳＥＴの場合には、前述のステップＳ２０６，Ｓ２０７を経てルーチンを抜け（正常判定）、Ｃ＞ＣＳＥＴの場合、すなわち、運転条件の変化に伴うエンジン回転数変動が設定時間を越えても定常値に収束しない場合には、ステップＳ２０８で、摺動部の摺動不良や固着等による応答性悪化が発生してバルブタイミング制御システムに異常有りと判定し、異常データを診断用のバックアップメモリにストアすると共に運転者に異常発生を警告し、ルーチンを抜ける。
【００４２】
第２形態においても、第１形態と同様、異常診断の診断領域を拡大し、可変バルブタイミング機構２７の摺動部の摺動不良や固着等による応答性悪化を迅速且つ確実に検出することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、バルブタイミング制御システムの異常を診断する際の診断領域を拡大すると共に、診断処理の負荷を軽減して迅速且つ確実に異常を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係わり、可変バルブタイミング機構付きエンジンの全体構成図
【図２】同上、異常診断ルーチンのフローチャート
【図３】本発明の実施の第２形態に係わり、異常診断ルーチンのフローチャート
【符号の説明】
１エンジン
１ｂクランク軸
１９吸気カム軸
２０排気カム軸
２７可変バルブタイミング機構
５０電子制御装置
ＤＩＡＧ診断値
ＤＩＡＧＳＥＴ判定閾値

Claims

エンジンのクランク軸とカム軸との間の回転位相を調整するバルブタイミング制御システムの異常診断装置であって、
運転条件の変化に伴うエンジン回転数の変化を検出し、このエンジン回転数の変化に基づいて診断値を算出する手段と、
上記診断値を予め設定した判定閾値と比較し、上記診断値が上記判定閾値を越えたとき、異常発生と判断する手段とを備えたことを特徴とするバルブタイミング制御システムの異常診断装置。
上記診断値を、エンジン回転数変化量或いはエンジン回転数変化量の積分値とすることを特徴とする請求項１記載のバルブタイミング制御システムの異常診断装置。
エンジンのクランク軸とカム軸との間の回転位相を調整するバルブタイミング制御システムの異常診断装置であって、
運転条件の変化に伴うエンジン回転数の変化を検出し、このエンジン回転数の変化が収束するまでの収束時間を算出する手段と、
上記収束時間が予め設定した時間を越えたとき、異常発生と判断する手段とを備えたことを特徴とするバルブタイミング制御システムの異常診断装置。