JP2012251446A - 内燃機関の故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波動歯車減速機構の故障を検知する。
【解決手段】内燃機関を運転している状態で、機関圧縮比を一定に保つときに（Ｓ１１）、駆動モータの駆動電流を電流センサで検出し（Ｓ１２）、この電流値が波動歯車減速機構の内部の摩耗がない状態のときに機関圧縮比を一定に保つのに必要な駆動モータの駆動電流以上であれば（Ｓ１３）、波動歯車減速機構において内歯と外歯の噛み合い率が低下しており、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構に発生していると判定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、可変圧縮比機構を備えた内燃機関の故障診断装置に関する。

可撓性歯車の弾性変形を利用した波動歯車減速機構が従来から知られている。例えば、特許文献１には、操舵ハンドルと転舵輪の間に位置しアクチュエータを駆動することで、操舵ハンドルの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を変化させる伝達比可変機構に波動歯車減速機構が組み込まれた構成が開示されている。

この特許文献１においては、操舵ハンドルに連結された伝達比可変機構の入力軸の回転角と、ラックアンドピニオン式のギヤ装置を介してラック軸の両側の転舵輪に連結される伝達比可変機構の出力軸の回転角と、前記伝達比可変機構を駆動するアクチュエータの作動角と、を検知し、上記操舵角、転舵角、作動角の関係から上記操舵角、転舵角、作動角を検出するセンサのうち、相対回転角を検出するセンサの故障判定を行っている。

特開２０００−３５１３８３号公報

しかしながら、この特許文献１においては、伝達比可変機構の入力軸及び出力軸の角度の相対変位は特定できるものの、波動歯車減速機構内の摩耗に起因する微小角度のずれについては特定することができない。つまり、波動歯車減速機構内の摩耗については検知することはできず、波動歯車減速機構内の摩耗に起因する波動歯車減速機構の故障を判定するができない。波動歯車減速機構内の摩耗が進展すると、波動歯車減速機構が空回りする可能性があり、この波動歯車減速機構を介して回転が伝達される部材や機構に悪影響を及ぼすことになる。

そこで、本発明は、可変圧縮比機構の制御軸と、この制御軸の回転位置を変更するアクチュエータとの間に設けられた波動歯車減速機構の故障判定を、アクチュエータに発生するアクチュエータトルクを用いて行うことを特徴としている。波動歯車減速機構内においては、内部が摩耗すると、波動歯車減速機構内の歯車の噛み合い率が低下し、フリクションが低下するため、機関圧縮比を維持するために制御軸の回転位置を保持する際や、機関圧縮比を変更するために制御軸を回転させる際のアクチュエータトルクが変化する。

本発明によれば、アクチュエータトルクを用いて、波動歯車減速機構における噛み合い率の低下による故障を検出することができる。

本発明が適用された内燃機関の複リンク式のピストン−クランク機構からなる可変圧縮比機構を模式的に示した説明図。 本発明に係る波動歯車減速機構を模式的に示した説明図。 本発明に係る波動歯車減速機構を模式的に示した説明図。 本発明に係る波動歯車減速機構を模式的に示した説明図。 本発明に係る波動歯車減速機構の故障判定の制御の流れを示すフローチャート。 本発明に係る波動歯車減速機構の他の故障判定の制御の流れを示すフローチャート。 本発明に係る波動歯車減速機構の他の故障判定の制御の流れを示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明が適用された内燃機関の複リンク式のピストン−クランク機構からなる可変圧縮比機構を示している。図示するように、シリンダブロック５に形成されたシリンダ６内に、ピストン１が摺動可能に配設されており、このピストン１に、アッパリンク１１の一端がピストンピン２を介して揺動可能に連結されている。このアッパリンク１１の他端は、第１連結ピン１２を介してロアリンク１３の一端部に回転可能に連結されている。このロアリンク１３は、その中央部においてクランクシャフト３のクランクピン４に揺動可能に取り付けられている。尚、ピストン１は、その上方に画成される燃焼室から燃焼圧力を受ける。また、クランクシャフト３は、クランク軸受ブラケット７によってシリンダブロック５に回転可能に支持されている。

ロアリンク１３の他端部には、コントロールリンク１５の一端が第２連結ピン１４を介して回転可能に連結されている。このコントロールリンク１５の他端は、シリンダブロック５を主体とした内燃機関の固定部位に揺動可能に支持されており、かつ、機関圧縮比の変更のために、その揺動支点１６が、内燃機関本体に対して変位可能となっている。具体的には、クランクシャフト３と平行に延びた制御軸１８に、円形の偏心カム１９が偏心して設けられており、この偏心カム１９の外周面にコントロールリンク１５の他端が回転可能に嵌合している。制御軸１８は、クランク軸受ブラケット７と制御軸受ブラケット８との間に回転可能に支持されている。

従って、機関圧縮比の変更のために、制御軸１８の回転位置を変更すると、コントロールリンク１５の揺動支点１６となる偏心カム１９の中心位置が機関本体に対して移動する。これにより、コントロールリンク１５によるロアリンク１３の運動拘束条件が変化して、クランク角に対するピストン１の行程位置すなわち上死点位置及び下死点位置が変化し、ひいては機関圧縮比が変更されることになる。

制御軸１８の回転位置は、アクチュエータとしての駆動モータ２０により変更・保持される。そして、この駆動モータ２０から制御軸１８への動力伝達経路に、波動歯車減速機構２１が設けられている。この波動歯車減速機構２１は、後述するように、駆動モータ２０の回転を減速して制御軸１８へ伝達する減速装置としての機能を備えている。

制御部１０は、各種制御処理を記憶及び実行するデジタルコンピュータシステムであり、機関運転状態に応じて可変圧縮比機構の駆動モータ２０へ制御信号を出力し、その動作を制御すると共に、駆動モータ２０の出力軸２０ａ（図３を参照）の回転位置を検出するアクチュエータ回転量検出手段としての出力軸センサ２２や駆動モータ２０に駆動トルクを発生させた際のモータ駆動電流を検知する電流センサ２３等の各種センサからの信号が入力されている。そして、この制御部１０では、後述するように駆動モータ２０に発生する駆動トルクから波動歯減速機構２１の故障判定を実施する。

出力軸センサ２２は、ホールＩＣ素子を使用した非接触型のセンサであり、図２、図３に示すように、駆動モータ２０の後端側に設けられている。この出力軸センサ２２と対向するように、駆動モータ２０の出力軸２０ａの後端部には、多数のスリットが形成された円形のプレート（図示せず）が取り付けられており、例えば前記スリット以外の部分ではハイに、前記スリットの部分ではローとなるような出力信号を制御部１０に出力している。制御部１０では、スリット部分が通過した回数から、すなわち駆動モータ２０の回転数に応じたパルス信号のカウント数から、出力軸２０ａの回転量が検出可能となっている。

図２〜図４を用いて波動歯車減速機構２１について説明する。この波動歯車減速機構２１は、内燃機関のシリンダブロック５やケーシング等の固定部位に固定され、内周に内歯（スプライン）３２が形成された剛体の内歯車３１と、この内歯車３１の内側に同心状に配置され、内歯３２よりも２枚だけ歯数の少ない外歯（スプライン）３４が外周に形成され、制御軸１８とともに回転する可撓性外歯車３３と、この可撓性外歯車３３の内側に配置された輪郭が楕円形状の波動発生器３５と、により大略構成される。

内歯車３１は、円環状をなし、内燃機関の固定部位へ固定するための固定ボルトが嵌合する多数のボルト孔３６が周方向に間欠的に形成されており、可撓性外歯車３３のように変形することのないように、可撓性外歯車３３よりも硬質な金属材料で形成されている。

可撓性外歯車３３は、円板状の底部３７と筒部３８からなる薄肉の有底円筒状を呈し、筒部３８の外周面に外歯３４が形成されている。可撓性外歯車３３の筒部３８は、内側に輪郭が楕円形状の波動発生器３５が取り付けられる前の状態では円筒形状であるが、内側に輪郭が楕円形状の波動発生器３５が取り付けられた状態では、図４に示すように、筒部３８が楕円形に撓んだ状態となる。この可撓性外歯車３３は、その底部３７が制御軸１８の一端の凸部（図示せず）嵌合しつつ固定ボルト３９により制御軸１８のフランジ部４０（図３を参照）に同心状に固定される。

波動発生器３５は、駆動モータ２０の出力軸２０ａに固定され、この出力軸２０ａと伴に回転する。また、波動発生器３５は、その外側に撓み変形可能なボールベアリング４１が同心状に取り付けられている。このボールベアリング４１の内側の内輪４２は波動発生器３５の外周に取り付けられ、外側の外輪４３が波動発生器３５に対して相対回転可能に取り付けられる。尚、図２〜図４における４４は、ボールベアリング４１のボールである。

このように構成された波動歯車減速機構２１は、図４に示すように、波動発生器３５の長軸方向で、波動発生器３５の中心を挟んで互いに対向する２箇所で、可撓性外歯車３３と内歯車３１とが噛み合っている。これによって、波動発生器３５の回転に伴って内歯３２と外歯３４とのかみ合い位置が円周方向に移動し、波動発生器３５が１回転すると、可撓性外歯車３３が歯数差２枚分だけ回転方向に移動する。つまり、駆動モータ２０の出力軸２０ａから制御軸１８へ大きな減速比で動力が伝達される。

波動歯車減速機構２１おいて、内歯３２と外歯３４の噛み合っている歯数は多く、この噛み合っている部分のフリクションは大きくなっている。また波動歯車減速機構２１における減速比は大きくなっている。そのため、制御軸１８側（内燃機関側）からのトルクにより駆動モータ２０が回されにくくなっている。従って、機関圧縮比を一定に保つような場合には、制御軸１８側（内燃機関側）からのトルクにより駆動モータ２０が回されにくくなっている分、制御軸１８の回転位置を保持するために必要な駆動モータ２０の圧縮比保持トルクは小さくできる。

しかしながら、波動歯車減速機構２１の内部が摩耗していると、歯動歯車減速機構２１における内歯３２と外歯３４の噛み合い率が低下し、内歯３２と外歯３４の噛み合い部分におけるフリクションが低下するため、制御軸１８側（内燃機関側）からのトルクにより駆動モータ２０が回され易くなる。つまり、波動歯車減速機構２１において、内部が摩耗し、噛み合い率が低下していると、その分だけ、機関圧縮比を維持するために制御軸１８の回転位置を保持する際の駆動モータ２０の圧縮比保持トルクが増大する。

また、波動歯車減速機構２１内の摩耗が進展して、波動歯車減速機構２１が空回りした場合、可変圧縮比機構の主運動部品（リンク部材、制御軸）の動きが想定外のものとなり、内燃機関の運転に悪影響を及ぼすことになりかねない。

波動歯車減速機構２１内で摩耗が考えられる箇所は、図３中に矢示するように、ボールベアリング４１におけるボール４４と外輪４３、及びボール４４と内輪４２とが接触する部分（摩耗想定箇所Ａ）と、内歯車３１の内歯３２と可撓性外歯車３３の外歯３４とが噛み合う部分（摩耗想定箇所Ｂ）である。

そこで、駆動モータ２０に発生するモータトルクを用いて、波動歯車減速機構２１内の摩耗状態を検出することで、内部の摩耗による波動歯車減速機構２１の故障を検出する。

具体的には、内燃機関を運転している状態で、機関圧縮比を一定に保つときの駆動モータ２０の駆動電流を電流センサ２３で検出し、このときの電流値を圧縮比保持トルクとみなし、この圧縮比保持トルクが、波動歯車減速機構２１の内部の摩耗がない状態のときに機関圧縮比を一定に保つのに必要なトルクである所定値（既定トルク）以上であれば、波動歯車減速機構２１において内歯３２と外歯３４の噛み合い率が低下しており、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していると判定する。

つまり、駆動モータ２０に発生するモータトルクを用いて、波動歯車減速機構２１の噛み合い率の低下による故障を検出することができる。

故障と判定された場合には、例えば、内燃機関から波動歯車減速機構２１への入力負荷が低くなるように機関圧縮比を設定したり、車両のインストルメントパネルに設けた警告灯を点灯して運転者に波動歯車減速機構２１の故障が発生していると告知するようにしてもよい。

図５は、圧縮比保持トルクを用いた波動歯車減速機構２１の故障判定の制御の流れを示すフローチャートである。

Ｓ１１では、機関圧縮比が一定に保持される状態であるか否かを判定し、機関圧縮比が一定に保持される状態であればＳ２へ進み、そうでない場合は今回のルーチンを終了する。Ｓ１２では、駆動モータ２０の出力軸２０ａの回転位置をフィードバック制御している状態で、駆動モータ２０に圧縮比保持トルクを発生させた際のモータ駆動電流を、このときの圧縮比保持トルクとして電流センサ２３で検出し、Ｓ１３へ進む。Ｓ１３では、圧縮比保持トルクが既定トルクよりも大きいか否かを判定する。具体的には、電流センサ２３で検出された電流値が、予め設定されている既定トルク相当の電流値よりも大きいか否かを判定し、大きい場合にはＳ１４へ進み内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していると判定する。小さい場合には、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していないものとして今回のルーチンを終了する。

また、内燃機関を停止している状態で、駆動モータ２０に一定トルクを発生させた場合、波動歯車減速機構２１の内部が摩耗していると、歯動歯車減速機構２１における内歯３２と外歯３４の噛み合い率が低下し、内歯３２と外歯３４の噛み合い部分におけるフリクションが低下するため、その分だけ駆動モータ２０により制御軸１８が回転させ易くなる。

例えば、内燃機関を停止している状態で、制御軸１８を低圧縮比側のストッパ及び高圧縮比側のストッパに突き当てることによって行われる可変圧縮比機構の初期位置学習時においては、所定の一定デューティ比で駆動モータ２０を駆動するが、波動歯車減速機構２１の内部が摩耗し、噛み合い率が低下していると、駆動モータ２０により制御軸１８が回転させ易くなっている分、制御軸１８を低圧縮比側のストッパに突き当たった状態（低圧縮比側の初期位置）から高圧縮比側のストッパに突き当てる状態（高圧縮比側の初期位置）まで回転させるのに要する時間は短くなる。

そこで、内燃機関が停止している状態で行う可変圧縮比機構の初期位置学習時においても、駆動モータ２０に発生するモータトルクを用いて波動歯車減速機構２１内の摩耗状態を検出することで、内部の摩耗による波動歯車減速機構２１の故障を検出することができる。

具体的には、内燃機関の停止時に行う可変圧縮比機構の初期位置学習の際に、制御軸１８を高圧縮比側のストッパに突き当たった状態（高圧縮比側の初期位置）から低圧縮比側のストッパに突き当てる状態（低圧縮比側の初期位置）まで回転させるのに要する時間である初期位置学習時間を検出し、初期位置学習時間が予め設定された所定時間Ｔ以下であれば、波動歯車減速機構２１において内歯３２と外歯３４の噛み合い率が低下しており、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していると判定する。ここで、上述した所定時間Ｔは、波動歯車減速機構２１内に摩耗がない状態のときに、制御軸１８を高圧縮比側の初期位置から低圧縮比側の初期位置まで回転させるのに要する時間である。

尚、制御軸１８を高圧縮比側の初期位置から低圧縮比側の初期位置まで回転させるのに要する時間の替えて、制御軸１８を低圧縮比側の初期位置から高圧縮比側の初期位置まで回転させるのに要する時間を用いても、内部の摩耗による波動歯車減速機構２１の故障を検出することは可能である。

図６は、可変圧縮比機構の初期位置学習時間を用いた波動歯車減速機構２１の故障判定の制御の流れを示すフローチャートである。

Ｓ２１では、内燃機関が停止状態状態で実施される可変圧縮比機構の初期位置学習中であるか否かを判定し、初期位置学習中であればＳ２２へ進み、そうでない場合は今回のルーチンを終了する。Ｓ２２では、上述した初期位置学習時間を検出する。Ｓ２３では、検出された初期位置学習時間が、予め設定された所定時間Ｔ以下であるか否かを判定し、所定時間Ｔ以下の場合にはＳ２４へ進み、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していると判定する。所定時間Ｔ以下でない場合には、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していないものとして今回のルーチンを終了する。

また、波動歯車減速機構２１内部で摩耗が進展すると、波動歯車減速機構２１における内歯３２と外歯３４の噛み合い部分のガタツキが大きくなる。そのため、動歯車減速機構２１における内歯３２と外歯３４の噛み合い部分にガタツキがある場合には、ガタツキが無い場合に比べて、高圧縮比側もしくは低圧縮比側の初期位置となるまで駆動モータ２０を回転させた際に、このガタツキ分だけ駆動モータ２０が余分に回転することになる。

そこで、可変圧縮比機構の初期位置学習時においては、可変圧縮比機構の高圧縮比側もしくは低圧縮比側の初期位置に対応する駆動モータ２０の出力軸２０ａの回転量の基準値と、初期位置における駆動モータ２０の出力軸２０ａの回転量とを比較することで、波動歯車減速機構２１内の摩耗状態を検出することができ、内部の摩耗による波動歯車減速機構２１の故障を検出することができる。

具体的には、波動歯車減速機構２１における内歯３２と外歯３４の噛み合い部分にガタツキがない状態おいて、出力軸センサ２２の出力に対し、制御軸１８が低圧縮比側のストッパに突き当てた状態から高圧縮比側のストッパに突き当たるまでの出力軸２０ａの回転位置に対応する初期カウント値を割り付けておく。

そして制御軸１８を高圧縮比側のストッパに突き当てた状態で出力軸センサ２２で検出されたパルス信号のカウント値と、高圧縮比側のストッパに突き当てた状態のときの初期カウント値とを比較し、検出されたカウント値が初期カウント値と一致しない場合に、波動歯車減速機構２１における内歯３２と外歯３４の噛み合い部分にガタツキがあり、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していると判定する。

また、制御軸１８を低圧縮比側のストッパに突き当てた状態で出力軸センサ２２で検出されたパルス信号のカウント値と、低圧縮比側のストッパに突き当てた状態のときの初期カウント値とを比較し、検出されたカウント値が初期カウント値と一致しない場合に、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していると判定してもよい。

初期カウント値が、低圧縮比側から高圧縮比側にむかって大きくなるように設定すれば、高圧縮比側のストッパに突き当てたときに判定する場合、初期カウント値に対して検出されたカウント値が大きくなったときに、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していると判定する。また、低圧縮比側のストッパに突き当てたときに判定する場合、初期カウント値に対して検出されたカウント値が小さくなったときに、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していると判定する。

図７は、出力軸センサ２２のパルス信号のカウント値を用いた波動歯車減速機構２１の故障判定の制御の流れを示すフローチャートである。

Ｓ３１では、内燃機関が停止状態状態で実施される可変圧縮比機構の初期位置学習中であるか否かを判定し、初期位置学習中であればＳ３２へ進み、そうでない場合は今回のルーチンを終了する。Ｓ３２では、初期位置学習により、制御軸１８を高圧縮比側のストッパ、もしくは低圧縮比側のストッパに当接するまで回転させる。Ｓ３３では、制御軸１８をストッパに突き当てた状態における出力軸センサ２２のパルス信号のカウント値を検出する。Ｓ３４では、制御軸１８をストッパに突き当てた状態で出力軸センサ２２で検出されたパルス信号のカウント値と、ストッパに突き当てた状態のときの初期カウント値とを比較し、検出されたカウント値が初期カウント値と一致しない場合にはＳ３５へ進み、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していると判定する。検出されたカウント値が初期カウント値と一致する場合には、内部の摩耗による故障が波動歯車減速機構２１に発生していないものとして今回のルーチンを終了する。

尚、駆動モータ２０の出力軸２０ａにトルクセンサを設け、駆動モータ２０のに発生するモータトルクを直接検出することができれば、検出されたモータトルクから内部の摩耗による波動歯車減速機構２１の故障を検出することも可能である。波動歯車減速機構２１の内部が摩耗していれば、内部が摩耗していない場合に比べて、駆動モータ２０を駆動した際のモータトルクが小さくなるため、波動歯車減速機構２１の内部が摩耗していない状態のモータトルクを記憶させておけば、内部の摩耗による波動歯車減速機構２１の故障を検出することができる。

２０…駆動モータ
２１…波動歯車減速機構
２２…出力軸センサ
３１…内歯車
３２…内歯
３３…可撓性外歯車
３４…外歯
３５…波動発生器
３６…ボルト孔
３７…底部
３８…筒部
３９…ボルト
４０…フランジ部
４１…ボールベアリング

Claims (5)

1. アクチュエータにより制御軸の回転位置を変更することによって、内燃機関のピストンの上死点位置と下死点位置の少なくとも一方を変化させて、機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
   前記アクチュエータと前記制御軸との間に設けられ、前記アクチュエータの出力軸の回転を減速して前記制御軸へ伝達する波動歯車減速機構と、
   前記アクチュエータに発生するアクチュエータトルクを検出するアクチュエータトルク検出手段と、を有し、前記アクチュエータトルクを用いて前記波動歯車減速機構の故障判定を行うことを特徴とする内燃機関の故障診断装置。
2. 前記アクチュエータトルクは、機関圧縮比を一定の状態に保つときに前記アクチュエータで発生させる圧縮比保持トルクであり、この圧縮比保持トルクが予め設定された所定値よりも大きい場合に、前記波動歯車減速機構の故障と判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の故障診断装置。
3. 前記アクチュエータトルクは、機関圧縮比を変更する際に前記アクチュエータで発生させる圧縮比可変トルクであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の故障診断装置。
4. 前記圧縮比可変トルクは、内燃機関が停止している状態で前記制御軸を高圧縮比側の初期位置と低圧縮比側の初期位置に回転させて行う前記可変圧縮比機構の初期位置学習の際に前記アクチュエータで発生させる一定のトルクであり、
   高圧縮比側の初期位置から低圧縮比側の初期位置に変化するまでの時間、もしくは低圧縮比側の初期位置から高圧縮比側の初期位置に変化するまでの時間が、予め設定された所定時間以下の場合に、前記波動歯車減速機構の故障と判定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の故障診断装置。
5. アクチュエータにより制御軸の回転位置を変更することによって、内燃機関のピストンの上死点位置と下死点位置の少なくとも一方を変化させて、機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
   前記アクチュエータと前記制御軸との間に設けられ、前記アクチュエータの出力軸の回転を減速して前記制御軸へ伝達する波動歯車減速機構と、
   前記アクチュエータの出力軸の回転量を検出するアクチュエータ回転量検出手段と、を有し、
   前記可変圧縮比機構の高圧縮比側もしくは低圧縮比側の初期位置を学習する際に、前記初期位置に対応するアクチュエータ回転量の基準値に対して、アクチュエータ回転量検出手段で検出された前記初期位置における前記アクチュエータの出力軸の回転量が多い場合に、前記波動歯車減速機構の故障と判定することを特徴とする内燃機関の故障診断装置。

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