JP2013019292A - 可変バルブタイミング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、カム角度センサ故障時には可変バルブタイミング制御に用いる制御量（ＶＶＴ進角量）が正常に計算できないため、吸気バルブを最遅角位置へ強制的に戻すことにより、可変バルブタイミング制御を禁止していた。このためカム角度センサ故障時には、可変バルブタイミング機構の特長である、出力性能と燃費性能の両立といった恩恵を受けることができなかった。
【解決手段】クランク角度センサ信号およびカム角度センサ信号を基にＶＶＴ進角量を算出し、可変バルブタイミング機構を制御する制御装置において、カム角度センサ故障と判定した場合にはノックセンサ信号に発生した吸気バルブの着座信号よりＶＶＴ進角量を算出し、このＶＶＴ進角量を基に可変バルブタイミング制御を実施する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、可変バルブタイミング制御装置に関し、特に内燃機関のカム角度センサ故障時における、可変バルブタイミング機構の位置を検出する手段として用いられているＶＶＴ進角量の算出方法に関するものである。

内燃機関の可変バルブタイミング機構は、吸気バルブの開閉特性を変化させるために用いられている。また可変バルブタイミング機構には、通常は作用角（ＶＶＴ進角量）を検出するためのセンサ（「カム角度センサ」と呼ぶ）が設けられている。

このカム角度センサに異常が生じるとＶＶＴ進角量が不明となり、望ましい運転を行うことができなくなるという不具合が生じることとなる。

このためカム角度センサの異常を診断し、異常が判定された場合には、以下の特許文献１にも記載された技術のように、吸気バルブの開閉タイミングを最遅角位置へ強制的に戻すよう、可変バルブタイミング機構を制御している。また異常判定時には内燃機関の運転状態に応じ、可変バルブタイミング機構の駆動速度を変化させることにより、ドライバビリティの悪化を防止させている。

特許第０３２９６０５７号公報

しかし、前記先行技術に示された制御装置においても、ドライバビリティ悪化を防止するための制御は追加されているものの、カム角度センサの異常と判定された場合には、吸気バルブは最遅角位置へ強制的に戻ることになる。

このため、カム角度センサの異常と判定され、吸気バルブが最遅角位置へと強制的に戻された場合には、可変バルブタイミング機構の特長である、出力性能と燃費性能の両立が、全運転領域について確保できなくなる。

そこで本発明では、カム角度センサの異常，正常に関わらず、可変バルブタイミング機構を制御できる制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る制御装置はエンジンコントロールユニットと、エンジンに取り付けられたクランク角度センサと、カム角度センサと、ノッキングを検出するノックセンサと、吸気バルブと、クランクシャフトに対する吸気側カムシャフトの回転位相を変化させる可変バルブタイミング機構と、クランク角度センサとカム角度センサの信号を基にＶＶＴ進角量を算出する手段と、ノックセンサ信号に出力された吸気バルブの着座信号を検出してノックセンサ信号によるＶＶＴ進角量を算出する手段と、カム角度センサの異常の有無を判定する手段とを備え、カム角度センサの故障と判定した場合には、参照するＶＶＴ進角量を、クランク角度センサとカム角度センサの信号を基に算出したＶＶＴ進角量からノックセンサ信号によるＶＶＴ進角量に切り換え、可変バルブタイミング機構を制御する。

本発明による制御装置では、ノックセンサ信号に出力された吸気バルブの着座信号を用いてＶＶＴ進角量を算出しており、カム角度センサ故障時においても可変バルブタイミング機構を制御することが可能である。

このため、カム角度センサの異常と判定された場合においても、可変バルブタイミング機構の制御を実施し、出力性能と燃費性能の両立が可能となる。

実施形態における火花点火内燃機関と制御装置の模式図。 実施形態における可変バルブタイミング機構の構造図。 実施形態における可変バルブタイミング機構の構造図。 実施形態におけるコントロールユニットの内部構成図。 本発明の実施例の構成を説明する制御ブロック図。 ノックセンサ信号波形とＶＶＴ進角量の算出方法を示した図。 ＶＶＴ進角量の算出方法を示したフローチャート。

以下、発明の実施例を図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る火花点火内燃機関とその制御装置の基本構成図である。本説明では以下、筒内噴射式火花点火内燃機関を用いて説明を進めていくが、ポート噴射式火花点火内燃機関においても適用可能である。

図において、エンジン１００には、ピストン１０１，吸気バルブ１０２，排気バルブ１０３が備えられ、吸気は、空気流量計（ＡＦＭ）１１８を通過して絞り弁１１７に入り、分岐部であるコレクタ１１３より吸気管１０９，吸気バルブ１０２を介してエンジン１００の燃焼室１１９に供給される。燃料は、燃料噴射弁１０４から、エンジン１００の燃焼室１１９に噴射供給され、点火コイル１０６，点火プラグ１０５で点火される。燃焼後の排気ガスは排気バルブ１０３を介して排気管１１０に排出され、排気管１１０には排気ガス浄化のための三元触媒１１１が備えられている。

エンジンコントロールユニット１０８には、エンジン１００のクランク角度センサ１１４の信号，ＡＦＭ１１８の空気量信号，排気ガス中の空燃比を検出する空燃比センサ１１２の信号，アクセル開度センサ１２０のアクセル開度等の信号が入力される。エンジンコントロールユニット１０８はアクセル開度センサ１２０の信号からエンジンへの要求トルクの算出，アイドル状態の判定等を行い、エンジン１００に必要な吸入空気量を算出し、それに見合った開度信号を絞り弁１１７に出力する。また燃料噴射弁１０４へは燃料噴射信号が、点火プラグ１０５へは点火信号が出力される。

さらにエンジン１００に取り付けられたノックセンサ１０７がエンジン１００の異常燃焼時に発生する異音（ノッキング）を検出し、点火信号をフィードバック制御している。

吸気バルブ１０２及び排気バルブ１０３は、それぞれ吸気側カムシャフト，排気側カムシャフト１２１に設けられたカムによって開閉駆動され、吸気側カムシャフト，排気側カムシャフト１２１には可変バルブタイミング機構ＶＶＴ１２３が設けられている。可変バルブタイミング機構ＶＶＴ１２３は、クランクシャフト１１６に対する吸気側カムシャフト，排気側カムシャフト１２１の回転位相を変化させることで、吸気バルブ１０２，排気バルブ１０３のバルブタイミングを変化させる機構である。なお可変バルブタイミング機構ＶＶＴ１２３は図１に示している排気バルブ１０３に限定せず、吸気バルブ１０２、若しくは吸気バルブ１０２及び排気バルブ１０３の両方に適用してもよい。

次に、可変バルブタイミング機構の構造および動作について、図２，図３を用いて説明する。吸気側カムシャフト２０１の一端には、位相可変カムプーリ２０２が設けられている。この位相可変カムプーリ２０２は、連続位相可変型とされている。

排気側カムシャフト１２１の一端には、位相が変化しないカムプーリ２０３が設けられている。クランクシャフト１１６にはクランクプーリ２０４が固定されている。また、クランクシャフト１１６にはオイルポンプ２０５が接続されていて、クランクシャフトの回転に同期してポンプが回転することにより、オイルを吐出し油圧を発生させて機関内の潤滑や油圧駆動のアクチュエータへのオイル供給を行っている。位相可変カムプーリ２０２，カムプーリ２０３は、タイミングベルト２０６を介しクランクプーリ２０４によって駆動される。位相可変カムプーリ２０２には、油圧によって駆動されるアクチュエータが内蔵されている。このアクチュエータの構造を図３で説明すると、位相可変カムプーリ２０２に契合しているカムハウジング２５１の内部には吸気カムシャフト２０１に固定されているベーン２５２が内蔵されており、ベーン２５２の周囲にはベーン２５２が回転方向に動作可能な空間が設けられている。前記空間はベーン２５２により進角室２５３と遅角室２５４に仕切られており、進角室２５３は位相進角油圧通路２８１に、遅角室２５４は位相遅角油圧通路２８２にそれぞれつながっている。オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）２０７はソレノイド２５５，プランジャ２５６，ハウジング２５７，スプール２５８，スプリング２５９を備えており、ソレノイド２５５に電流を供給しない状態ではスプール２５８がスプリング２５９に押されて図３の右方向に位置している。ソレノイド２５５に電流を供給すると、プランジャ２５６がスプール２５８を図３の左方向に押すため、スプリング２５９の力に打ち勝ってスプール２５８が左方向に移動する。スプール２５８の左方向への移動量は、ソレノイド２５５に供給する電流の大きさに比例して大きくなる。ハウジング２５７は油圧供給ポート２６１，進角ポート２６２，遅角ポート２６３，ドレインポート２６０を備えており、油圧供給ポート２６１はオイル通路２８０に、進角ポート２６２は位相進角油圧通路２８１に、遅角ポート２６３は位相遅角油圧通路２８２に、ドレインポート２６０は図示しないドレイン通路にそれぞれつながっている。

なお、前記可変バルブタイミング機構ＶＶＴ１２３は、図２，図３に示した構造に限定するものではなく、公知の全ての可変バルブタイミング機構を適用できる。

図４はコントロールユニット１０８の内部構成を示したものである。コントロールユニット１０８は、入力回路３０１，Ａ／Ｄ変換部３０２，中央演算部３０３，ＲＯＭ３０４，ＲＡＭ３０５、及び出力回路３０６を含んだマイクロコンピュータにより構成されている。入力回路３０１は、入力信号３００がアナログ信号の場合（例えば、ＡＦＭ１１８，アクセル開度センサ１２０等からの信号）、この信号からノイズ成分の除去等を行い、当該信号をＡ／Ｄ変換部３０２に出力するためのものである。中央演算部３０３は、Ａ／Ｄ変換結果を取り込み、ＲＯＭ３０４等の媒体に記憶された燃料噴射制御プログラムやその他の制御プログラムを実行することによって、各制御及び診断等を実行する機能を備えている。なお、演算結果、及び、前記Ａ／Ｄ変換結果は、ＲＡＭ３０５に一時保管されるとともに、演算結果は、出力回路３０６を通じて制御信号３０７として出力され、燃料噴射弁１０４，点火コイル１０６等の制御に用いられる。

図５は、本実施形態を制御ブロック図で表したものである。

中央演算部３０３に入力されたクランク角度センサ１１４，カム角度センサ１２２の信号を基に、ＶＶＴ進角量算出部４０１にて通常時に用いるＶＶＴ進角量を算出する。

また着座信号検出区間判定部４０２ではクランク角度センサ１１４の信号を基に、ＶＶＴの着座信号検出区間であるか否かを判定する。

基準信号算出部４０３ではクランク角度センサ１１４，ノックセンサ１０７の信号より、吸気バルブの着座の影響を受けない基準信号を算出する。

その後、着座信号検出区間判定部４０２で求めた着座信号検出区間判定結果、基準信号算出部４０３で求めた基準信号、ノックセンサ１０７の信号を基に、ノックセンサによるＶＶＴ進角量算出部４０４にてＶＶＴ進角量を算出する。

ＶＶＴ進角量選択部４０６では、ＶＶＴ進角量算出部４０１で求めたＶＶＴ進角量とノックセンサによるＶＶＴ進角量算出部４０４で求めたＶＶＴ進角量を、カム角度センサ故障判定部４０５の判定結果に基づき、カム角度センサが正常である場合にはＶＶＴ進角量算出部４０１で求めたＶＶＴ進角量を、カム角度センサが異常である場合にはノックセンサによるＶＶＴ進角量算出部４０４で求めたＶＶＴ進角量を選択する。

フィードバック用ＶＶＴ進角量４０７はＶＶＴ進角量選択部４０６で選択されたＶＶＴ進角量とし、フィードバック制御部４０８，ＶＶＴ制御部４０９を介し、可変バルブタイミング制御を実施する。

続いてＶＶＴ進角量の算出方法について、図６により説明する。

カム角度センサ１２２，クランク角度センサ１１４が正常である場合、所定のクランク角度（図６の場合はＢＴＤＣ１４５°）を基準位置（ＶＶＴ進角量計測基準位置）とし、カム角度センサ信号エッジまでをＶＶＴ進角量として算出する。このとき基準位置は可変バルブタイミング機構ＶＶＴ１２３の最遅角時および最進角時を考慮し決定することにより、正確なＶＶＴ進角量を算出することが可能である。

したがって上記制御手段では、カム角度センサ正常時にはＶＶＴ進角量の算出が可能であるが、カム角度センサ故障時にはカム角度センサ信号が発生しないため、ＶＶＴ進角量を算出することができないという問題があった。

一方ノックセンサ信号には、エンジンから発生するノッキング以外の要因による振動、具体的には吸気バルブ１０２，排気バルブ１０３の振動によるものが発生している。

これはノッキングにより発生するものと異なり、エンジン回転中は常時発生している。

またノック制御ではノック検出のために、圧縮上死点を基準としたノックセンサ信号検出区間（ウィンドウ）を用いており、エンジンにて発生したノックが検出できるようノックセンサ信号検出区間を設定している。このときノッキング以外の要因により発生する波形を含まないよう設定し、ノッキングの誤検出を防止している。

本発明では、前述したカム角度センサ故障時にカム角度センサ信号に波形が発生しないこと、エンジン回転中、ノックセンサ信号に吸気バルブ１０２，排気バルブ１０３の振動により常時発生する波形があること、の二つの点に着目した。

具体的には、カム角度センサ故障と判定した場合にはカム角度センサ信号を使用したＶＶＴ進角量の算出を停止し、ノックセンサ信号に発生した吸気バルブ１０２の振動を基に、ＶＶＴ進角量を算出することとした。

なおノックセンサ信号を用いたＶＶＴ進角量の算出方法は以下の通りとなる。

ノックセンサ信号に吸気バルブ１０２の着座ノイズが出力されない期間、図６ではＢＴＤＣ６５°〜１５°の期間を基準信号計測区間と定義し、この間のノックセンサ信号の平均値を基準信号として算出する。算出した基準信号から着座信号検出区間（図６ではＢＴＤＣ１６５°〜９０°）内に発生したノックセンサ信号と基準信号の比率が所定値以上となったタイミングまでを、ＶＶＴ進角量として算出する。

これにより、カム角度センサ正常時にはカム角度センサ信号より求めたＶＶＴ進角量を使用し、カム角度センサ故障時にはノックセンサ信号より求めたＶＶＴ進角量を使用することにより、カム角度センサ故障時にも可変バルブタイミング制御が可能となる。

次に、カム角度センサ故障時のＶＶＴ進角量算出方法について、図７のフローチャートを参照しながら説明する。

ステップ５０１ではクランク角度センサ，カム角度センサの信号を基に、正常時に選択されるＶＶＴ進角量（ｖａｎｇ）を算出する。その後、ステップ５０２でノックセンサ信号によるＶＶＴ進角量算出の基準となる基準信号計測区間内か否かを判定する。この基準信号計測区間には、ノックセンサ信号にノッキングにより発生する振動，吸気バルブ／排気バルブの着座により発生する振動が出力されない区間（ウィンドウ）を設定することとし、基準信号計測区間内と判定した場合には、ステップ５０３で基準信号（Ａ）を算出する。

基準信号（Ａ）は、基準信号計測区間内で計測されるノックセンサ信号の平均値とし、ＶＶＴ進角量の算出に使用される。一方、ステップ５０２で基準信号計測区間が成立していないと判定された場合には、ステップ５０４で着座信号検出区間内か否かを判定する。ここで着座信号検出区間の設定は、算出されるパラメータの精度確保のため、可変バルブタイミング機構による吸気バルブの作動範囲（最遅角から最進角まで）を網羅することが望ましい。

この着座信号検出区間内と判定した場合には、ステップ５０５にて着座信号（Ｂ），着座信号算出角度（Ｃ）を算出する。ここで着座信号（Ｂ）は、着座信号検出区間内で計測されるノックセンサ信号より算出されるものであり、検出区間内の出力値、若しくは検出区間内の移動平均値等で求められる。

一方、ステップ５０４で着座信号検出区間が成立していないと判定された場合には、着座信号（Ｂ），着座信号算出角度（Ｃ）の更新は実施せず、次のステップ５０６に移行する。

次のステップ５０６は、カム角度センサが正常であるか否かを判定するものである。

カム角度センサが正常であると判定した場合には、ステップ５０７でＶＶＴ進角量（ＶＡＮＧ）を算出し、処理を終了する。なおＶＶＴ進角量（ＶＡＮＧ）は可変バルブタイミング制御で使用するものであり、ステップ５０１で算出したＶＶＴ進角量（ｖａｎｇ）を代入している。

一方、ステップ５０６でカム角度センサが異常であると判定した場合には、ノックセンサ信号を基に計算されるノックセンサ信号比（ｋｖａｎｇ）を、ステップ５０８にて算出する。

ここでノックセンサ信号比（ｋｖａｎｇ）は、ステップ５０３で求めた基準信号（Ａ）とステップ５０５で求めた着座信号（Ｂ）の比率であり、以下の式で算出される。
ノックセンサ信号比(ｋｖａｎｇ)＝着座信号(Ｂ)／基準信号(Ａ)

その後ステップ５０９では、ステップ５０８で算出したノックセンサ信号比（ｋｖａｎｇ）が所定値以上であるか否かを判定しており、所定値以上であると判定した場合、ステップ５１０でＶＶＴ進角量（ＶＡＮＧ）を算出する。ここではカム角度センサが異常であると判定されているため、ステップ５０５で算出した着座信号算出角度（Ｃ）と基準信号計測区間の開始角度（Ｄ）よりＶＶＴ進角量（ＶＡＮＧ）を算出し、処理を終了する。なおこの場合のＶＶＴ進角量（ＶＡＮＧ）は以下の式で算出される。
ＶＶＴ進角量(ＶＡＮＧ)＝基準信号計測区間の開始角度(Ｄ)−着座信号算出角度(Ｃ)

またステップ５０９にて、ノックセンサ信号比（ｋｖａｎｇ）が所定値以下であると判定された場合には、ＶＶＴ進角量（ＶＡＮＧ）の更新は実施せず、処理を終了する。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。

１００ エンジン
１０１ ピストン
１０２ 吸気バルブ
１０３ 排気バルブ
１０４ 燃料噴射弁
１０５ 点火プラグ
１０６ 点火コイル
１０７ ノックセンサ
１０８ ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
１０９ 吸気管
１１０ 排気管
１１１ 三元触媒
１１２ 空燃比センサ
１１３ コレクタ
１１４ クランク角度センサ
１１５ シグナルプレート
１１６ クランクシャフト
１１７ 絞り弁
１１８ ＡＦＭ
１１９ 燃焼室
１２０ アクセル開度センサ
１２１ 排気側カムシャフト
１２２ カム角度センサ
１２３ 可変バルブタイミング機構

Claims (6)

1. クランクシグナルプレートの外周に近接配置された検知器からなるクランク角度センサと、吸気側カムシャフトの位相を検知するカム角度センサと、内燃機関で発生するノッキングを検出するノックセンサと、吸気バルブと、クランクシャフトに対する吸気側カムシャフトの回転位相を変化させる可変バルブタイミング機構と、前記クランク角度センサと前記カム角度センサの信号を基にＶＶＴ進角量を算出する手段と、前記クランク角度センサの信号を基に前記吸気バルブの着座信号検出区間を判定する手段と、前記クランク角度センサと前記ノックセンサの信号を基に前記吸気バルブの着座信号無し時の基準信号を算出する手段と、前記着座信号検出区間の判定結果と前記基準信号と前記ノックセンサの信号を基にノックセンサ信号によるＶＶＴ進角量を算出する手段と、前記カム角度センサの故障を判定する手段とを備えた内燃機関の制御装置において、前記カム角度センサの故障と判定した場合には前記可変バルブタイミング機構の制御で用いる参照値を、前記ＶＶＴ進角量から前記ノックセンサ信号によるＶＶＴ進角量に切り換え、可変バルブタイミング制御を実施することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置において、排気バルブに可変バルブタイミング機構を採用したことを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１に記載の制御装置において、前記吸気バルブ，前記排気バルブの両方に可変バルブタイミング機構を採用したことを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１および請求項２および請求項３に記載の制御装置において、前記カム角度センサの故障と判定し、前記可変バルブタイミング機構の制御で用いる参照値を、前記ＶＶＴ進角量から前記ノックセンサ信号によるＶＶＴ進角量に切り換えた場合には、前記可変バルブタイミング制御の目標制御量を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項１および請求項２および請求項３に記載の制御装置において、前記ノックセンサの故障と判定された場合には、前記可変バルブタイミング制御を停止することを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 請求項１および請求項２および請求項３に記載の制御装置において、ノック制御領域内と判定された場合には、前記可変バルブタイミング制御を停止することを特徴とする内燃機関の制御装置。