JP2014105680A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気弁１３を動作させるカムの位相を連続的に変更可能なＶＶＴ４０を備えたエンジン１において、クランクポジションセンサ３１の故障時に、カムポジションセンサ３９からの信号によって正確なフェールセーフ制御を行えるようにする。
【解決手段】クランクポジションセンサ３１の故障を判定したときには（ステップＳＴ１０１）、ＶＶＴ４０を遅角側に動作させて規定位置に位置づけ（ステップＳＴ１０３）、クランク信号の代わりにカム信号に基づいてフェールセーフ制御を行う（ステップＳＴ１０７）。
【選択図】図７

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御装置に関し、特に、吸気弁の動作タイミング（動作時期）を変更可能な可変動弁機構を備える場合のフェールセーフ制御に関する。

従来より、車両等に搭載される内燃機関においては、吸気弁の動作タイミングを可変とする可変動弁機構（ Variable Valve Timing：以下、ＶＶＴと略称）の採用が拡大している。例えば特許文献１に記載のものでは、吸気弁を動作させるカムシャフトに電動機の出力軸を連結し、この電動機の回転数の制御によって吸気側のカム位相を進角側および遅角側に連続的に変更するようにしている。

前記従来例において電動機には回転センサが設けられており、この回転センサからの信号によって電動機の回転速度や回転位置を検出する。そして、クランクポジションセンサが故障したときには、その信号（クランク信号）に代えて前記電動機の回転センサからの信号を利用し、内燃機関の燃料噴射や点火時期などの制御（フェールセーフ制御）を行うようにしている。

特開２００６−２１４３８６号公報

ところが、前記従来例のようにＶＶＴの電動機の回転センサによって検出できるのは、カムシャフトの回転の位相であって、これはクランクシャフトの回転の位相とは異なる可能性がある。通常はクランクポジションセンサおよびカムポジションセンサの両方の信号からクランク位相に対するカム位相を算出しているが、仮に断線などによってクランクポジションセンサから信号が出力されなくなると、カム位相が変化してもそのことを判別することはできない。

そのため、前記のような故障の発生時において例えば吸気弁を動作させる際の反力によってＶＶＴの位置が動いてしまい、カム位相が変化した場合には、前記従来例のようにＶＶＴの回転センサの信号によってクランク信号を代用しても、正確な制御を行えない。このことは、カムポジションセンサからの信号（カム信号）によって代用する場合も同様である。

かかる問題点に鑑み本発明の目的は、吸気側にＶＶＴ（可変動弁機構）を備えた内燃機関においてクランクポジションセンサの故障時に、クランク信号をカム信号によって代用しつつ、正確なフェールセーフ制御を行えるようにすることにある。

前記の目的を達成するために本発明は、吸気弁の動作時期を変更可能な可変動弁機構（以下、吸気側ＶＶＴ）を備えた内燃機関の制御装置を対象とする。そして、前記吸気側ＶＶＴが、前記吸気弁を動作させるカムの位相を進角側および遅角側に連続的に変更可能なものである場合に、内燃機関のクランクポジションセンサの故障を判定したとき、前記吸気側ＶＶＴを遅角側に動作させ、予め規定した規定位置に位置づけるとともに、前記クランクポジションセンサからの信号（クランク信号）に代えて、カムポジションセンサからの信号（カム信号）に基づくフェールセーフ制御を行う制御手段を備えるものとする。

前記の特定事項により、内燃機関の運転中にクランクポジションセンサが故障した場合、制御手段により吸気側ＶＶＴが遅角側に動作されて規定位置に位置づけられるとともに、クランク信号に代えてカム信号に基づき、例えば燃料噴射や点火などのフェールセーフ制御が行われる。

このとき、吸気側ＶＶＴが規定位置に位置づけられていて、カム位相が変化することがないので、カム信号をクランク信号の代わりに用いても、燃料噴射や点火などの時期を正確に制御することができる。しかも、吸気側ＶＶＴを遅角側に動作させることによって、進角側に動作させるのに比べて速く規定位置まで動作させることができ、速やかにフェールセーフ制御を開始することができる。

こうして吸気側ＶＶＴをより速く規定位置まで動作させるために、吸気側ＶＶＴは電動モータによって駆動する構造とするのが好ましい。また、規定位置について具体的には、吸気側ＶＶＴが所定の位相角範囲において動作可能に構成されている場合の最遅角位置とするのが好ましい。電動モータの力で機構上の最遅角位置に押し付けるようにすれば、吸気弁を動作させる反力によって吸気側ＶＶＴが動いてしまうことを防止しやすいからである。

また、そのようにして吸気側ＶＶＴを最遅角位置に位置づけた上で、電動モータへの通電を停止すれば、フェールセーフ制御の際の電力消費の低減に寄与するが、機関回転数の低いときには吸気弁の動作による反力の変動が大きくなりやすく、吸気側ＶＶＴが動いてしまう心配もあるので、機関回転数が所定値以上であれば電動モータへの通電を停止する一方、所定回転数未満であれば通電を継続するのが好ましい。

さらに、前記のようにクランクポジションセンサの故障を判定して、吸気側ＶＶＴを遅角側に動作させるときに、吸気側ＶＶＴが規定位置に達するまでの間は内燃機関への燃料供給を停止するのが好ましい。吸気側ＶＶＴが動作している間はカム位相が変化しているので、カム信号に基づく制御は不正確になる虞があるからである。

また、前記フェールセーフ制御としては、内燃機関が車両に搭載されている場合には、この車両を退避走行させるためのものとすればよい。そして、その場合にはカム信号の発生する時期を、フェールセーフ制御の際の少なくとも１つの気筒への燃料噴射時期、若しくは点火時期に対応づけて設定してもよい。こうすれば、そのカム信号に基づいて直ちに燃料噴射や点火を行うことができ、フェールセーフ制御の簡略化が図られる。

本発明によれば、吸気側ＶＶＴ（可変動弁機構）を備えた内燃機関の運転中に、クランクポジションセンサが故障したとき、吸気側ＶＶＴを遅角側に動作させて規定位置に位置づけ、クランク位相に対するカム位相が変化しないようにしたので、故障したクランクポジションセンサからの信号に代えて、カムポジションセンサからの信号に基づいて正確なフェールセーフ制御を行うことができる。

本発明を適用する内燃機関（エンジン）の一例を示す概略構成図である。 カムポジションセンサの説明図であって、(a)はその概略構成を、(b)(c)はそれぞれ内部電圧およびカム信号を示す説明図である。 ＶＶＴの構成を示す断面図である。 図３のIV-IV線における断面図である。 図３のV-V線における断面図である。 エンジンの制御系の構成を示すブロック図である。 フェールセーフ制御の一例を示すフローチャートである。 フェールセーフ制御によるＶＶＴの動作やカム信号と各気筒の燃料噴射および点火タイミングなどとの対応を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−内燃機関の全体構成−
まず、図１を参照して、本発明を適用する内燃機関（以下、エンジンともいう）について説明する。この例のエンジン１は、車両に搭載される４気筒ガソリンエンジンであって、シリンダブロック１ａ内に形成された４つの気筒（図１には１気筒のみを示す）それぞれに、上下に往復動するようにピストン１ｃが収容されている。それら４つの気筒を取り囲むようにシリンダブロック１ａにはウォータジャケットが形成され、エンジン冷却水（冷却液）の温度を検出するように水温センサ３２が配置されている。

前記４つの気筒におけるピストン１ｃの往復運動はそれぞれ、コネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１５の回転運動に変換される。クランクシャフト１５は、トルクコンバータ（またはクラッチ）等を介して変速機（図示せず）に連結されており、エンジン１の出力を変速機を介して車両の駆動輪に伝達することができる。この変速機は、一例として多段式の自動変速機であってもよいし、ベルト式無段変速機などであってもよい。

また、クランクシャフト１５には、エンジン１の始動時に起動されるスタータモータ１０が接続されるようになっており、このスタータモータ１０によってクランクシャフト１５を強制的に回転させる（クランキング）ことができる。クランクシャフト１５にはシグナルロータ１７が取り付けられており、その外周面には複数の歯（突起）１７ａが等角度毎に設けられるとともに、その歯１７ａの２枚分が欠落した欠歯部１７ｂも設けられている。

前記シグナルロータ１７の側方近傍には、クランクシャフト１５の回転角、即ちクランク位相を検出するクランクポジションセンサ３１が配置されている。クランクポジションセンサ３１は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト１５が回転する際にシグナルロータ１７の歯１７ａの通過に応じてパルス状の信号（以下、クランク信号という）を発生する。このクランク信号に基づいてエンジン回転数ｎｅを算出することができる。

さらに、クランクシャフト１５を覆うようにシリンダブロック１ａの下部には、潤滑油（エンジンオイル）を貯留するオイルパン１８が設けられている。オイルパン１８に貯留された潤滑油は、エンジン１の運転時にオイルポンプ（図示せず）によって汲み上げられ、ピストン１ｃ、クランクシャフト１５、コネクティングロッド１６などエンジン各部に供給されて、その各部の潤滑・冷却等に使用される。

一方、シリンダブロック１ａの上端にはシリンダヘッド１ｂが締結されており、このシリンダヘッド１ｂによって上端を閉じられた各気筒毎に、ピストン１ｃの往復運動によって容積の変化する燃焼室１ｄが形成されている。この燃焼室１ｄに臨んでシリンダヘッド１ｂには各気筒毎に点火プラグ３が配置されており、これによる点火のタイミングはイグナイタ４によって調整される。イグナイタ４はＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００によって制御される。

前記燃焼室１ｄには吸気通路１１と排気通路１２とがそれぞれ連通し、新気の吸入と燃焼ガスの排気とを行うようになっている。吸気通路１１の下流側（吸気流れの下流側）は吸気ポート１１ａおよびインテークマニホールド１１ｂによって構成され、その上流側にはサージタンク１１ｃが配設されている。また、吸気通路１１には、吸気を濾過するエアクリーナ７、熱線式のエアフロメータ３３、吸気温センサ３４（一例としてエアフロメータ３３に内蔵）、エンジン１の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ５などが配置されている。

一例としてスロットルバルブ５は、サージタンク１１ｃの上流側に設けられており、スロットルモータ６によって駆動される。スロットルバルブ５の開度はスロットル開度センサ３５によって検出され、エンジン１の運転状態に応じた最適な吸入空気量となるようにＥＣＵ２００によってフィードバック制御される。

また、各気筒毎に吸気ポート１１ａにはインジェクタ（燃料噴射弁）２が配置されている。これらのインジェクタ２は共通のデリバリパイプ１０１に接続され、燃料供給系１００から燃料が供給される。一例として燃料供給系１００は、デリバリパイプ１０１に接続された燃料供給管１０２、燃料ポンプ１０３および燃料タンク１０４などを備えている。

インジェクタ２はＥＣＵ２００によって制御され、各気筒毎に燃料の噴射供給が行われる。そして、インジェクタ２から吸気ポート１１ａ内に噴射された燃料は吸入空気と混合され、吸気弁１３の開弁に伴い各気筒内の燃焼室１ｄに導入される。この混合気は、気筒の圧縮行程の終盤に点火プラグ３によって点火されて燃焼・爆発し、高温高圧の燃焼ガスがピストン１ｃを押し下げた後に、排気弁１４の開弁に伴い排気通路１２に排出される。

この排気通路１２の上流側（排気流れの上流側）は排気ポート１２ａおよびエキゾーストマニホールド１２ｂによって構成され、その下流側には三元触媒８が配置されている。三元触媒８は、排気通路１２に排気された排気ガス中のＣＯ、ＨＣの酸化およびＮＯｘの還元を行い、それらを無害なＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｎ₂とすることで排気ガスを浄化する。

三元触媒８の上流側の排気通路１２には、例えば空燃比に対してリニアな特性を示すフロント空燃比センサ３７が配置されており、下流側の排気通路１２には、例えばラムダセンサからなるリアＯ₂センサ３８が配置されている。これらフロント空燃比センサ３７およびリアＯ₂センサ３８の出力信号はＥＣＵ２００にフィードバックされて、空燃比の制御に供される。

前記のような燃焼室１ｄの吸気および排気は、吸気弁１３および排気弁１４の開閉動作によって行われる。すなわち、吸気ポート１１ａと燃焼室１ｄとの間には吸気弁１３が設けられ、排気ポート１２ａと燃焼室１ｄとの間には排気弁１４が設けられている。そして、図示しないチェーンなどを介してクランクシャフト１５により回転される吸気および排気の各カムシャフト２１，２２によって、吸気弁１３および排気弁１４がそれぞれ所定のタイミングで開閉される。

より具体的には、吸気および排気の各カムシャフト２１，２２はそれぞれ、クランクシャフト１５の１／２の回転速度で回転し、ピストン１ｃが２往復する間に１回転する。言い換えると、クランクシャフト１５が２回転（７２０°回転）して、ピストン１ｃが吸気、圧縮、膨張および排気の各行程を行う間に、各カムシャフト２１，２２が１回転し、それぞれの気筒の吸気行程で吸気弁１３を開き、排気行程で排気弁１４を開くようになっている。

こうして回転する吸気カムシャフト２１の近傍には、その回転角、即ちクランク位相に対する吸気カムシャフト２１の位相（即ち、吸気弁１３を動作させるカムの位相）を検出するために、カム信号を生成するカムポジションセンサ３９が設けられている。具体的には、図２(a)に模式的に示すように、吸気カムシャフト２１にはタイミングロータ２３が取り付けられ、その外周には複数の（図の例では３つの）突出部２３ａ〜２３ｃが形成されている。

本実施形態のカムポジションセンサ３９は、いわゆる磁気抵抗素子型（Magneto Resistive Element：ＭＲＥ）のセンサであって、磁石３９ａおよびＩＣからなる波形整形回路３９ｂを備えている。そして、タイミングロータ２３の回転に伴い３つの突出部２３ａ〜２３ｃがそれぞれ通過すると磁場が変化し、図２(b)に示すように内部電圧が変化する。この内部電圧の変化が波形整形回路３９ｂにて矩形波に整形されて、図２(c)に示すようにハイ（Ｈｉ）ロー（Ｌｏ）のデジタル信号が出力される。

一例としてタイミングロータ２３の第１の突出部２３ａは、９０°に亘って形成され、３０°の間隔をあけて第２の突出部２３ｂが６０°に亘って形成され、６０°の間隔をあけて第３の突出部２３ｃが３０°に亘って形成されている。また、その第３の突出部２３ｃと前記第１の突出部２３ａとの間隔は９０°とされている。そして、それら第１〜第３の突出部２３ａ〜２３ｃが通過するのに応じてカムポジションセンサ３９からは、タイミングロータ２３の回転角（即ちカム角）に対応する期間、Ｈｉ信号が出力される。

前記したように吸気カムシャフト２１の１回転は、クランクシャフト１５の２回転に対応するので、第１突出部２３ａの通過に対応してカム信号は、クランクシャフト１５の回転角（クランク角）で１８０°の期間、Ｈｉになる。続いて第１および第２突出部２３ａ，２３ｂの間でクランク角で６０°の期間、Ｌｏになり、第２の突出部２３ｂの通過に対応してクランク角で１２０°の期間、Ｈｉになる、というようにカム信号はＨｉ，Ｌｏの反転を繰り返す。

このようなカム信号のＨｉ，Ｌｏの反転のパターン認識によってタイミングロータ２３の回転角、即ちカム角を検出することができ、このカム角とクランク信号（クランク角）とに基づいて、後述の燃料噴射や点火制御、およびＶＶＴ制御などが行われる。さらに、本実施形態では、後述するように第１突出部２３ａの通過の開始による信号の反転（Ｌｏ→Ｈｉ）が、特定の気筒（例えば第１気筒）の圧縮上死点（ＴＤＣ）に対応し、以下、点火順（第３気筒、第４気筒、第２気筒）に各気筒のＴＤＣにおいても、それぞれカム信号が反転するようになっている。

また、本実施形態では吸気カムシャフト２１に、以下に説明する電動式の可変動弁機構（以下、ＶＶＴ４０と略称する）が取り付けられていて、これにより吸気カムシャフト２１の回転位相（カム位相）を進角側および遅角側に連続的に変化させることができる。これにより吸気弁１３の開閉するタイミング（以下、吸気弁タイミングともいう）が進角側、遅角側に連続的に変更される。

−ＶＶＴ−
図３〜５に示すように本実施形態では、吸気カムシャフト２１の端部にＶＶＴ４０（図１には示さず）が配設されている。なお、図３はＶＶＴ４０の内部の構造を示す断面図であり、図４および図５はそれぞれ、図３のIV-IV線およびV-V線における断面図である。また、吸気カムシャフト２１だけでなく、排気カムシャフト２２にも同様の構造のＶＶＴを配設してもよい。

図の例ではＶＶＴ４０は、ＥＣＵ２００により制御される電動モータ４２（以下、単にモータという）によって駆動されるものであり、図３に示すように電動モータ４２は、モータ軸４４、軸受４６、回転数センサ４７、ステータ５０等から構成される三相モータである。モータ軸４４は二つの軸受４６，４６により支持されて軸線Ｏ周りに回転可能となっている。このモータ軸４４には、径方向外側に突出する円形板状のロータ部４５が固定され、このロータ部４５の外周壁に複数の磁石４５ａが埋設されている。

一方、ステータ５０はモータ軸４４の外周側に配設され、モータ軸４４の軸線Ｏ周りに等間隔に並ぶ複数のコイルを備えている。コイルはコア５１に巻線５２を巻回してなり、駆動回路１０８からの供給を受けて電流が流れると、モータ軸４４の外周側に回転磁界を形成して、回転トルクを発生させる。回転数センサ４７はロータ部４５の近傍に配設され、各磁石４５ａによる形成磁界の強さを感知することによりモータ軸４４の回転数（以下、モータ回転数という）を検出する。

また、前記図３の他、図４にも示すようにＶＶＴ４０は、吸気カムシャフト２１の位相角を変化させる位相変化機構６０を備えている。この位相変化機構６０は、スプロケット６２、リングギア６３、偏心軸６４、遊星歯車６５、出力軸６６等を備えている。スプロケット６２は出力軸６６の外周側に同軸上に配設され、出力軸６６に対してモータ軸４４と同じ軸線Ｏの周りに相対回転可能になっており、図示しないチェーンなどによってクランクシャフト１５に駆動連結されている。このスプロケット６２の内周壁に同軸状にリングギア６３が固定されて、一体に回転する。

一方、偏心軸６４は、軸線Ｏに対し偏心した状態でモータ軸４４に連結固定されている。この偏心軸６４には外歯車からなる遊星歯車６５が相対回転可能に支持されて、偏心軸線Ｐの周りに回転自在となっている。遊星歯車６５はリングギア６３と噛み合っており、モータ軸４４の回転によって前記偏心軸６４の周りを回転しながら、リングギア６３の内周側を遊星運動する。

そして、出力軸６６は、吸気カムシャフト２１と一体に回転するようにボルト固定されている。この出力軸６６には、軸線Ｏを中心とする円環板状の係合部６７が形成され、ここには円周方向に等間隔に複数の係合孔６８が設けられている。これらの係合孔６８にそれぞれ対応して遊星歯車６５には複数の係合突起６９が形成され、各係合突起６９が対応する係合孔６８に遊嵌状態で突入している。

このような構造のＶＶＴ４０においてスプロケット６２には、チェーンなどによってクランクシャフト１５の回転が伝達され、このクランクシャフト１５に対する回転位相を保ちながら図４の時計回り方向（矢印で示す）に回転する。そして、スプロケット６２に対してモータ軸４４が相対回転しなければ、スプロケット６２の回転に連れて一体に遊星歯車６５が、リングギア６３との噛合位置を保ちながら図４の時計回り方向に回転する。

このときに遊星歯車６５の複数の係合突起６９が、それぞれ対応する係合孔６８内でその内周壁を回転方向に押圧するため、出力軸６６の係合部６７がその回転方向に押圧され、出力軸６６はスプロケット６２に対して相対回転することなく図４の時計回り方向に回転する。これによりスプロケット６２に対する出力軸６６の、言い換えるとクランクシャフト１５に対する吸気カムシャフト２１の、回転位相が保たれる。

一方、モータ軸４４がスプロケット６２に対して図４の反時計回り方向に相対回転するときには、遊星歯車６５がその遊星運動により、偏心軸６４に対して図４の時計回り方向へ相対回転しつつリングギア６３との噛合位置を変化させる。このとき、係合突起６９が係合孔６８を回転方向に押圧する力が増大するため、出力軸６６はスプロケット６２に対して進角側に回動する。つまり、ＶＶＴ４０が進角側に動作されて、カムの位相が進角側に変化する。

反対にモータ軸４４がスプロケット６２に対して図４の時計回り方向に相対回転するときには、遊星歯車６５がその遊星運動により、偏心軸６４に対して図４の反時計回り方向へ相対回転しつつリングギア６３との噛合位置を変化させる。このとき、係合突起６９が係合孔６８を反回転方向に押圧するようになるため、出力軸６６はスプロケット６２に対して遅角側に回動する。つまり、ＶＶＴ４０が遅角側に動作されて、カムの位相は遅角側に変化する。

このようなＶＶＴ４０の進角側および遅角側への動作は、位相変化機構６０の構造上、所定の位相角範囲に制限されている。すなわち、図５に示すようにスプロケット６２には、出力軸６６の外周面と摺接する内周面において開口し、円周方向に所定の角度範囲に亘って延びる複数の（図の例では３個の）ストッパ溝部６２ａが形成されている。そして、各ストッパ溝部６２ａには、対応して出力軸６６の外周面に形成された複数のストッパ突部６６ａが挿入されて、円周方向に相対移動可能になっている。

このような構成によりスプロケット６２と出力軸６６とは、前記のようにストッパ突部６６ａがストッパ溝部６２ａ内を相対移動可能な角度範囲において互いに相対的に回動可能になっている。図５には、ストッパ突部６６ａが対応するストッパ溝部６２ａの円周方向一端部に当接した状態を示し、このとき出力軸６６は、スプロケット６２に対する最進角位置にあって、吸気カムシャフト２１の位相が最進角位相となる。

また、図示はしないが、出力軸６６がスプロケット６２に対して図５の反時計回り方向（矢印の反対方向）に回動して、各ストッパ突部６６ａが対応するストッパ溝部６２ａの円周方向他端部に当接すると、出力軸６６はスプロケット６２に対する最遅角位置に位置づけられる。このとき、吸気カムシャフト２１の位相が最遅角位相となる。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ２００は、図６に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）２０３およびバックアップＲＡＭ２０４などを備えている。

ＲＯＭ２０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ２０１は、ＲＯＭ２０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ２０３は、ＣＰＵ２０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ２０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

以上のＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３およびバックアップＲＡＭ２０４は、バス２０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース２０５および出力インターフェース２０６と接続されている。

入力インターフェース２０５には、クランクポジションセンサ３１、水温センサ３２、エアフロメータ３３、吸気温センサ３４、スロットル開度センサ３５、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ３６、フロント空燃比センサ３７、リアＯ₂センサ３８、および、カムポジションセンサ３９などの各種センサ類が接続されている。

また、入力インターフェース２０５には、車両のメイン電源をオンオフするためのイグニッションスイッチ４８と、車両の乗員によってエンジン１の始動に係る操作が行われるスタータスイッチ４９とが接続されている。イグニッションスイッチ４８がオン操作されると、ＥＣＵ２００によるエンジン１の制御が開始され、スタータスイッチ４９がオン操作されると、スタータモータ１０によるエンジン１のクランキングが開始される。

一方、出力インターフェース２０６には、一例として各気筒毎のインジェクタ２、同じく各気筒毎の点火プラグ３のイグナイタ４、スロットルバルブ５のスロットルモータ６、スタータモータ１０、および、吸気カムシャフト２１のＶＶＴ４０、などが接続されている。

そして、ＥＣＵ２００は、前記した各種センサおよびスイッチからの信号に基づいて、インジェクタ２の駆動制御（燃料の噴射量および噴射時期の制御）、点火プラグ３による点火時期の制御、スロットルモータ６の駆動制御（スロットル開度の制御）、ＶＶＴ４０の制御などを含むエンジン１の各種制御を実行する。例えばクランク信号およびカム信号に基づいて各気筒毎に好適なタイミングで、インジェクタ２による燃料の噴射や点火プラグ３による点火を実行させる。

また、アクセル開度センサ３６からの信号とエンジン回転数ｎｅとに基づいてスロットル開度を制御し、クランク信号およびカム信号に基づいて算出する吸気カムシャフト２１の位相が、エンジン１の運転状態などに応じた好適なものとなるように（即ち、好適な吸気弁タイミングとなるように）ＶＶＴ４０を制御する。

さらに、ＥＣＵ２００は以下に説明するように、クランクポジションセンサ３１が故障したとき、車両の待避走行を可能とすべくクランク信号の代わりにカム信号に基づいて、燃料噴射制御、点火制御、スロットル開度制御、ＶＶＴ制御などのフェールセーフ制御を実行する。つまり、ＥＣＵ２００により実行される以下のフェールセーフ制御に係るプログラムによって、本実施形態の内燃機関の制御装置が実現される。

−フェールセーフ制御−
上述したエンジン１において、例えばクランクポジションセンサ３１の断線などの故障によってクランク信号が入力しなくなった場合には、その代わりにカム信号を利用することが考えられる。カム信号によってエンジン回転数ｎｅは概ね算出することができ、スロットル開度の制御は所期の精度で行い得ると考えられる。

しかしながら、本実施形態のように吸気カムシャフト２１にＶＶＴ４０が設けられている場合は、例えば吸気弁１３を動作させる反力を受けてＶＶＴ４０が動いてしまい、吸気カムシャフト２１の位相がクランク位相からずれたとしても、クランク信号が得られなければ、そのことを判別する術はない。

そこで、本実施形態ではクランクポジションセンサ３１の故障を判定したとき、直ちにＶＶＴ４０を最遅角位置まで動作させた上で、カム信号を利用してフェールセーフ制御を行うようにした。以下、フェールセーフ制御の一例について図７のフローチャートを参照して説明するが、この制御ルーチンは、エンジン１の運転中に所定の時間間隔（例えば５０ミリ秒）で繰り返し実行されるものである。

まず、スタート後のステップＳＴ１０１でＥＣＵ２００は、入力するクランク信号からクランクポジションセンサ３１が故障しているか否か判定し、クランク信号が所定以上の時間間隔をあけずに入力していて、故障していないと否定判定（ＮＯ）すればステップＳＴ１０２に進んで、上述したように通常の燃料噴射制御、点火制御、スロットル開度制御、ＶＶＴ制御などを行う。

一方、例えばクランク信号が所定時間以上、入力せず、前記のステップＳＴ１０１にて断線などの故障と肯定判定すれば（ＹＥＳ）、ＶＶＴ４０の電動モータ４２に制御信号を出力して強制的に遅角側に動作させる（ステップＳＴ１０３）。また、インジェクタ２の動作を強制的に停止させて、気筒への燃料の噴射供給を停止させるとともに、点火プラグ３への通電も停止させる（ステップＳＴ１０４）。

そうして電動モータ４２によって動作させることで、可及的速やかにＶＶＴ４０を最遅角位置に位置づけることができる。すなわち、スプロケット６２はチェーンなどから進角側への回転力を受けているので、電動モータ４２への通電を停止すればＶＶＴ４０は自ずと遅角側に動くことになるが、より速く最遅角位置に位置づけるために電動モータ４２によって積極的にＶＶＴ４０を遅角動作させるのである。

前記のようにＶＶＴ４０の遅角動作を開始してから所定時間が経過したか否か判定し（ステップＳＴ１０５）、否定判定（ＮＯ）であれば前記のステップＳＴ１０３に戻る一方、時間が経過して肯定判定（ＹＥＳ）になればステップＳＴ１０６に進む。この場合、所定時間は、前記の如く電動モータ４２によってＶＶＴ４０を遅角動作させた場合に、ＶＶＴ４０が最進角位置から最遅角位置まで動作するのに要する時間（例えば５００ミリ秒）に設定すればよい。

そして、前記の所定時間が経過すればＶＶＴ４０は最遅角位置にあるので、ステップＳＴ１０６ではエンジン回転数ｎｅ（クランクポジションセンサ３１の故障を判定した時点でのエンジン回転数ｎｅ）が、予め設定した閾値ｎｅ１未満であったか否か判定し、肯定判定（ＹＥＳ）であればステップＳＴ１０７に進む一方、否定判定（ＮＯ）であればステップＳＴ１０８に進んで、ＶＶＴ４０の電動モータ４２への通電を停止した後にステップＳＴ１０７に進む。

すなわち、エンジン回転数ｎｅの低いときには吸気カムシャフト２１の受ける反力の変動が大きくなりやすく、ＶＶＴ４０が最遅角位置から動いてしまう心配があるので、電動モータ４２への通電を継続する一方、エンジン回転数ｎｅが所定回転数ｎｅ１以上であれば電動モータ４２への通電を停止することによって、電力消費の低減を図る。

ステップＳＴ１０７では、クランク信号に代えてカム信号に基づくフェールセーフ制御を実行する。この制御は車両の退避走行を可能とするためのものであり、エンジン１の大出力は不要なので、例えばアクセル開度センサ３６からの信号によらずスロットル開度は６０〜７０％程度に制限してもよい。また、燃料噴射量は通常の制御と同様に吸気量に応じて目標空燃比になるように制御し、その噴射時期は、各気筒毎に例えば膨張行程ないし排気行程に制御する。

さらに、点火時期については冷間でも燃焼安定性を確保しやすいように、各気筒の圧縮上死点（ＴＤＣ）とすればよい。本実施形態では、上述したように各気筒のＴＤＣにおいてカム信号が反転するので、これに応じて直接、点火時期を制御することができる。なお、スロットル開度の制御などに用いるエンジン回転数ｎｅについてはカム信号から算出すればよい。

そのように車両の退避走行が可能となるようエンジン１を運転しながら、ＥＣＵ２００はイグニッションスイッチ４８がオフ操作されたか否か判定し（ステップＳＴ１０９：ＩＧ−ＳＷオフ？）、否定判定（ＮＯ）であれば前記ステップＳＴ１０６に戻る（エンジン回転数ｎｅはカム信号から算出する）一方、イグニッションスイッチ４８がオフ操作されれば肯定判定（ＹＥＳ）して、フェールセーフ制御ルーチンを終了する（エンド）。

したがって、本実施形態に係るエンジン１の制御装置によると、図８に一例を示すように、エンジン１の運転中にクランクポジションセンサ３１が故障して、クランク信号が途絶えたとき（時刻ｔ１）、直ちにＶＶＴ４０の遅角側への動作が開始されるとともに、インジェクタ２による燃料噴射や点火プラグ３による点火制御が停止される（燃料カット）。つまり、ＶＶＴ４０の遅角動作によってカム位相が変化している間、これにより不正確になる虞のある制御を一時的に停止する。

そして、電動モータ４２によって積極的にＶＶＴ４０を遅角動作させ、速やかに最遅角位置に位置づけてから（時刻ｔ２）、燃料噴射や点火などの制御を再開する。ＶＶＴ４０が最遅角位置に達すると、位相変化機構６０において出力軸６６のストッパ突部６６ａがスプロケット６２のストッパ溝部６２ａの円周方向他端部に当接するが、この状態で電動モータ４２への通電を継続すれば、吸気弁１３からの反力を受けてもＶＶＴ４０の位置が変化することを防止できる。

こうして電動モータ４２の力で最遅角位置に押し付けることで、ＶＶＴ４０を最遅角位置に保持することができ、吸気カムシャフト２１の位相が変化しないので、クランク信号の代わりにカム信号を用いて正確なフェールセーフ制御を行うことができる。一例として図８における時刻ｔ３のカム信号の立ち上がり（Ｌｏ→Ｈｉ）で、圧縮ＴＤＣの第１気筒に点火する（矢印Ｓとして示す）。

続いて、カム信号が反転（Ｈｉ→Ｌｏ）する時刻ｔ４では圧縮ＴＤＣの第３気筒に点火するとともに、排気ＢＤＣの第２気筒への燃料噴射を行う。次にカム信号が反転する時刻ｔ５では排気行程の第１気筒への燃料噴射を行い、次にカム信号が反転する時刻ｔ６では圧縮ＴＤＣの第４気筒に点火する。次にカム信号が反転する時刻ｔ７では排気行程の第３気筒への燃料噴射を行い、次にカム信号が反転する時刻ｔ８では、圧縮ＴＤＣの第２気筒に点火するとともに、排気ＢＤＣの第４気筒に燃料噴射を行う。

そして、次にカム信号が反転する時刻ｔ９では、再び圧縮ＴＤＣの第１気筒に点火するとともに、排気ＢＤＣの第２気筒に燃料噴射を行い、以降、同様にして第１、第３、第４、第２の順にそれぞれ燃料噴射および点火制御を実行する。このようにカム信号の反転に応じて直接、第１〜第４気筒のそれぞれの燃料噴射および点火制御を行うことができ、タイマカウントなどの処理が不要で、制御の簡略化が図られる。

−他の実施形態−
前記した実施形態の記載はあくまで例示に過ぎず、本発明の構成や用途などについても限定することを意図しない。例えば前記の実施形態では、クランクポジションセンサ３１の故障を判定したときに、ＶＶＴ４０を最遅角位置に位置付けてフェールセーフ制御を行うようにしているが、最遅角位置には限定されず、最進角および最遅角の中間位置であってもよい。但しＶＶＴの動作を機構上、制限できる位置が望ましい。

また、吸気カムシャフト２１だけでなく、排気カムシャフト２２にもＶＶＴを配設した場合、この排気側のＶＶＴは、クランクポジションセンサ３１の故障時に進角側に動作させて規定位置に位置づければよく、この規定位置としては最進角位置が好ましい。

また、前記の実施形態では、クランクポジションセンサ３１の故障を判定したときに、ＶＶＴ４０を遅角側に動作させる間、一時的に燃料噴射や点火を停止するようにしているが、これにも限定されず、燃料噴射量を減量したり点火時期を遅角させたりしてもよい。これはアイドル時などの万が一のエンストを回避するために有効である。

また、前記の実施形態ではフェールセーフ制御を車両の待避走行のためのものとしているが、これにも限定されない。ＶＶＴについても実施形態のような電動式のＶＶＴ４０には限定されず、例えば油圧式のＶＶＴであってもよい。この場合には、クランクポジションセンサ３１の故障を判定したときにＶＶＴを、ロックピンによって固定できる位置まで動作させるようにすればよい。

さらに、前記の実施形態では、ポート噴射式のエンジン１に本発明を適用した例について説明したが、これに限ることなく本発明は、筒内直噴式のエンジンにも適用可能であるし、ポート噴射および筒内噴射の両方の燃料噴射弁を備えたエンジンにも適用可能である。勿論、実施形態のような４気筒エンジンにも限定されず、６気筒など任意の気筒数のエンジンにも本発明は適用できるし、直列多気筒エンジンにも限らず、Ｖ型多気筒エンジンにも本発明は適用できる。

本発明は、ＶＶＴ（可変動弁機構）を備えた内燃機関（エンジン）に適用可能であり、クランクポジションセンサが故障したときに好適なフェールセーフ制御を行うことができるので、乗用車等に搭載する場合に特に有効なものである。

１ エンジン（内燃機関）
１３ 吸気弁（一方の弁）
１４ 排気弁
２１ 吸気カムシャフト（一方の弁を動作させるカム）
３１ クランクポジションセンサ
３９ カムポジションセンサ
４０ ＶＶＴ（可変動弁機構）
４２ 電動モータ
２００ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (8)

1. 吸気弁の動作時期を変更可能な可変動弁機構を備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記可変動弁機構は、前記吸気弁を動作させるカムの位相を進角側および遅角側に連続的に変更可能に構成され、
   内燃機関のクランクポジションセンサの故障を判定したとき、前記可変動弁機構を遅角側に動作させて、予め規定した規定位置に位置づけるとともに、前記クランクポジションセンサからの信号に代えて、カムポジションセンサからの信号に基づくフェールセーフ制御を行う制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記可変動弁機構が電動モータによって駆動されるものである、内燃機関の制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記可変動弁機構は所定の位相角範囲において動作可能に構成され、
   前記規定位置は前記位相角範囲の最遅角位置である、内燃機関の制御装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記制御手段は、前記可変動弁機構を最遅角位置に位置づけた後に電動モータへの通電を停止する、内燃機関の制御装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記制御手段は、前記可変動弁機構を最遅角位置に位置づけた後に、機関回転数が所定値以上であれば電動モータへの通電を停止する一方、所定回転数未満であれば通電を継続する、内燃機関の制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置において、
   前記制御手段は、前記クランクポジションセンサの故障を判定し、前記可変動弁機構を遅角側に動作させるときに、該可変動弁機構が規定位置に達するまでの間、内燃機関への燃料供給を停止する、内燃機関の制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置において、
   内燃機関が車両に搭載されており、
   前記フェールセーフ制御は、前記車両を退避走行させるためのものである、内燃機関の制御装置。
8. 請求項７に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記カムポジションセンサの信号の発生時期が、フェールセーフ制御の際の少なくとも１つの気筒への燃料噴射時期、若しくは点火時期に対応づけて設定されている、内燃機関の制御装置。

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