JP2015081562A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧縮比可変機構及び可変バルブタイミング機構の目標値を指示するメイン制御装置と、圧縮比可変機構を制御する第1サブ制御装置と、可変バルブタイミング機構を制御する第2サブ制御装置と、を含み、メイン制御装置は、可変バルブタイミング機構によるバルブタイミングに応じて圧縮比可変機構の目標値を制限する処理を行い、当該制限処理後の目標値を入力した第1サブ制御装置は、可変バルブタイミング機構によるバルブタイミングに応じて圧縮比可変機構の目標値を制限する処理を更に行い、当該制限処理後の目標値に応じて圧縮比可変機構を制御する。
【選択図】図3
Description
ここで、指示値を出力するメイン制御装置と、前記指示値に応じて制御を実施するサブ制御装置とで制御装置が構成され、メイン制御装置からサブ制御装置への指示値の出力をRAMやバッファなどの記憶装置を介して行う場合、前記記憶装置の故障が検知される前にサブ制御装置が記憶装置上の誤った指示値に基づいて制御を実施してしまうことで、ピストンと機関バルブとの干渉を発生させてしまう可能性があった。
図1は、本発明に係る制御装置を適用する内燃機関の一例を示す図である。
図1に示す内燃機関10は、ピストン33の上死点位置を変更して圧縮比(機械圧縮比)を変更する圧縮比可変機構(VCR:Variable Compression Ratio)50と、吸気バルブ81のバルブタイミングを変更する可変動弁機構である可変バルブタイミング機構(VTC:Variable Timing Control)82と、を備えている。
ロアリンク11は、左右の2部材に分割可能に構成され、略中央の連結孔でクランクシャフト32のクランクピン32bに取り付けられる。そして、ロアリンク11は、クランクピン32bを中心軸として回転する。
ロアリンク11の一端は、連結ピン21を介してアッパリンク12に連結し、ロアリンク11の他端は、連結ピン22を介してコントロールリンク13に連結する。
ピストン33は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック31のシリンダ31a内を往復動する。
コントロールシャフト25にはギヤが形成されており、ギヤがアクチュエータ51の回転軸52に設けられたピニオン53に噛合する。そして、アクチュエータ51によってコントロールシャフト25が回転させられ、連結ピン24が移動する。
尚、圧縮比可変機構50は、ピストン33の上死点位置を変更することで内燃機関10の機械圧縮比を変更する公知の機構であり、詳細な構造は、図1に示したものに限定されない。
但し、燃料噴射装置を、吸気バルブ81上流側の吸気ポート内に燃料を噴射する装置とすることができ、また、内燃機関10は、筒内に燃料を直接噴射する装置と吸気ポート内に燃料を噴射する装置との双方を備えることができる。
上記のメイン制御装置70、第1サブ制御装置71及び第2サブ制御装置72は、CPU、ROM、RAM、入出力インタフェースなどを備えたマイクロコンピュータを含んで構成される。
そして、第1サブ制御装置71は、メイン制御装置70から指示されたコントロールシャフト25の角度位置(目標圧縮比)VCRtgと位置センサ50aにより検出されるコントロールシャフト25の実際の角度位置(実圧縮比)VCRacsとに基づいてアクチュエータ51の操作量を算出して出力する、フィードバック制御を実施する。
そして、第2制御装置72は、メイン制御装置70から指示された位相角(目標バルブタイミング)VTCtgと位相角センサ82aにより検出される実際の位相角(実バルブタイミング)VTCacsとに基づいて可変バルブタイミング機構82のアクチュエータの操作量を算出して出力する、フィードバック制御を実施する。
この場合、メイン制御装置70及び第2サブ制御装置72は、クランク角センサの出力信号とカム角センサの出力信号との位相差に基づいて実位相角VTCacsを検出する構成とすることができる。
そして、メイン制御装置70から第1サブ制御装置71に向けては、圧縮比可変機構50のコントロールシャフト25の角度位置の目標値VCRtg、可変バルブタイミング機構82における位相角の目標値VTCtg、位相角センサ82aの出力からメイン制御装置70で検出された可変バルブタイミング機構82の位相角(実位相角)VTCacmの信号が出力される。
同様に、メイン制御装置70と第2サブ制御装置72とは相互に通信可能に構成されている。
第2サブ制御装置71からメイン制御装置70に向けては、位相角センサ82aの出力から第2サブ制御装置71で検出された可変バルブタイミング機構82の位相角(実位相角)VTCac2の信号が出力される。
そして、第1サブ制御装置71から第2サブ制御装置72に向けては、位置センサ50aの出力から第1サブ制御装置71で検出された圧縮比可変機構50のコントロールシャフト25の実際の角度位置VCRac1の信号が出力される。
第2サブ制御装置72から第1サブ制御装置71に向けては、位相角センサ82aの出力から第2サブ制御装置72で検出された可変バルブタイミング機構82の位相角(実位相角)VTCac2の信号が出力される。
上記の各種センサとして、内燃機関10には、機関負荷TPを検出する負荷センサ61、機関回転速度NEを検出する回転センサ62、内燃機関10の冷却水の温度(機関温度)TWを検出する水温センサ63などを設けてある。冷却水温度は、機関の温度を代表する状態量である。
負荷センサ61は、機関負荷を示す状態量として、例えば、吸気圧力(ブースト)、吸入空気量、スロットル開度などを検出する。
但し、目標角度位置VCRtg、目標位相角VTCtgの演算に用いる内燃機関10の状態量を、機関負荷、機関回転速度、冷却水温度(機関温度)に限定するものではない。
図3において、メイン制御装置70は、セレクトハイ処理部70A、目標上限値演算部70B、目標値演算部70C、セレクトロー処理部70Dを備える。
そして、セレクトハイ処理部70Aは、これらの入力信号のうち吸気バルブ81のバルブタイミングの進角角度としてより大きな方を選択して制限処理用の位相角VTCavとして出力する。
従って、セレクトハイ処理部70Aは、実位相角VTCacsと実位相角VTCac2とのうち、吸気上死点TDCにおけるピストン33と吸気バルブ81との距離がより短くなり、干渉が発生し易くなる方の信号(実位相角VTCac)を選択することになる。
目標上限値演算部70Bは、入力した制限処理用位相角VTCavの条件でピストン33と吸気バルブ81との干渉を避けることができるピストン上死点位置の上限値VCRlimit(換言すれば、ピストン上死点位置が上がる方向におけるコントロールシャフト25の角度限界値)を演算する。
つまり、目標上限値演算部70Bは、そのときの位相角VTCavの条件における上限値VCRlimitを下回る範囲内でのピストン上死点位置の変更が、ピストン33と吸気バルブ81との干渉を発生することはないように上限値VCRlimitが設定される。
そして、セレクトロー処理部70Dは、目標上限値演算部70Bが演算した上限値VCRlimitと目標値演算部70Cが演算した目標角度位置VCRtgとを入力し、ピストン上死点位置(圧縮比)としてより低い方の値を選択して目標角度位置VCRtgmとして第1サブ制御装置71に出力する。
これにより、第1サブ制御装置71に対する圧縮比の指示範囲が、可変バルブタイミング機構82の実位相角に応じた上限値VCRlimitによって変更されることになる。
換言すれば、メイン制御装置70は、そのときの吸気バルブ81のバルブタイミングの条件において、ピストン33と吸気バルブ81との干渉が発生しないように、第1サブ制御装置71に出力する圧縮比の指示値を制限する。
セレクトハイ処理部71Aには、位相角センサ82aが出力する可変バルブタイミング機構82の実位相角VTCacsの信号と、第2サブ制御装置72から取得した可変バルブタイミング機構82の実位相角VTCac2の信号と、後述するようにメイン制御装置70における制限処理後の目標位相角VTCtgmの信号とが入力される。
つまり、セレクトハイ処理部71Aは、実位相角VTCacs、実位相角VTCac2、目標位相角VTCtgmのうちで、吸気上死点でのピストン33と吸気バルブ81との距離がより短くなり、干渉がより発生し易くなる位相角(バルブタイミング)を選択することになる。
目標上限値演算部71Bは、入力した制限処理用位相角VTCavsの条件でピストン33と吸気バルブ81との干渉を避けることができるピストン上死点位置の上限値VCRlimits、換言すれば、ピストン上死点位置が上がる方向におけるコントロールシャフト25の角度限界値を演算する。
そして、セレクトロー処理部71Cは、目標角度位置VCRtgmと上限値VCRlimitsとのうちで、ピストン上死点位置としてより低くなる方を選択し、選択した信号を圧縮比可変機構50の制御に用いる最終的な目標角度位置VCRtgとして出力する。
つまり、第1サブ制御装置71では、可変バルブタイミング機構82の制御量(バルブタイミング)に応じた上限値VCRlimitによって、圧縮比可変機構50による圧縮比の制御範囲が変更されることになる。
メイン制御装置70は、圧縮比可変機構50の目標値演算のための機能ブロックと同様に、可変バルブタイミング機構82の目標値演算のためのセレクトハイ処理部70E、目標上限値演算部70F、目標値演算部70G、セレクトロー処理部70Hを備える。
そして、セレクトハイ処理部70Eは、これらの入力信号のうちピストン33の上死点位置がより高い方の信号を選択して制限処理用の角度位置VCRhiとして出力する。
従って、セレクトハイ処理部70Eは、実角度位置VCRacsと実角度位置VCRac1とのうち、吸気上死点TDCにおけるピストン33と吸気バルブ81との距離がより短くなり、干渉が発生し易くなる方の信号(実角度位置VCRac)を選択することになる。
そして、目標上限値演算部70Fは、入力した制限処理用の角度位置VCRhiの条件でピストン33と吸気バルブ81との干渉を避けることができるバルブタイミングの進角限界値VTClimit、換言すれば、バルブタイミングの進角方向における位相角の限界値を演算する。
そして、セレクトロー処理部70Hは、目標上限値演算部70Gが演算した進角限界値VTClimitと目標値演算部70Gが演算した目標位相角VTCtgとを入力し、吸気バルブ81のバルブタイミングとしてより遅角側の信号を選択して目標位相角VTCtgmとして第2サブ制御装置72に出力する。
換言すれば、メイン制御装置70は、そのときの圧縮比(ピストン上死点位置)の条件において、ピストン33と吸気バルブ81との干渉が発生しないように、第2サブ制御装置72に出力するバルブタイミング進角値の指示値を制限する。
セレクトハイ処理部72Aには、位置センサ50aが出力する圧縮比可変機構50のコントロールシャフト25の実角度位置VCRacsの信号と、第1サブ制御装置71から取得した圧縮比可変機構50のコントロールシャフト25の実角度位置VCRac1の信号と、メイン制御装置70における制限処理後の目標角度位置VCRtgmの信号(セレクトロー処理部70Dの出力信号)とが入力される。
つまり、セレクトハイ処理部72Aは、実角度位置VCRacs、実角度位置VCRac1、目標角度位置VCRtgmのうちで、吸気上死点でのピストン33と吸気バルブ81との距離がより短くなり、干渉がより発生し易くなるコントロールシャフト25の角度位置(圧縮比)を選択することになる。
目標上限値演算部72Bは、入力した制限処理用角度位置VCRhisの条件で吸気上死点でのピストン33と吸気バルブ81との干渉を避けることができるバルブタイミングの進角限界値VTClimitsを演算する。
そして、セレクトロー処理部72Cは、目標位相角VTCtgmと進角限界値VTClimitsとのうちで、吸気バルブ81のバルブタイミングとしてより遅角側となる方を選択し、選択した信号を可変バルブタイミング機構82の制御に用いる最終的な目標位相角VTCtgとして出力する。
そして、第2サブ制御装置72は、演算した操作量を可変バルブタイミング機構82のアクチュエータに出力することで、可変バルブタイミング機構82で可変とされる吸気バルブ81のバルブタイミングを目標値に近づけるように制御する。
上記のように、可変バルブタイミング機構82の目標値は、メイン制御装置70においてそのときのピストン上死点位置(圧縮比)に応じて制限されて第2サブ制御装置72に出力され、更に、第2サブ制御装置72においてもそのときのピストン上死点位置(圧縮比)に応じて制限された後、可変バルブタイミング機構82の制御に用いられる。
しかし、サブ制御装置71,72では、吸気上死点でのピストン33と吸気バルブ81との干渉を避けることができる値に目標角度位置VCRtg、目標位相角VTCtgを制限する処理を施してから制御に用いるので、記憶装置の故障による干渉の発生を抑制できる。
従って、サブ制御装置71,72がメイン制御装置70に出力する実角度位置VCRac1、実位相角VTCac2を一時的に記憶する記憶装置が故障した場合でも、ピストン33と吸気バルブ81との干渉を抑制できる目標値の制限処理を実施できる。
従って、サブ制御装置71,72の間で実角度位置VCRac1、実位相角VTCac2の通信に用いる記憶装置が故障した場合でも、ピストン33と吸気バルブ81との干渉を抑制できる目標値の制限処理を実施できる。
これにより、位置センサ50a,位相角センサ82aが故障した場合でもピストン33と吸気バルブ81との干渉を抑制できる目標値の制限処理を実施でき、また、実際のピストン上死点位置や実際のバルブタイミングが目標値に向けて近づきつつあるときに制限処理の応答遅れによって干渉が発生してしまうことを抑制できる。
これにより、記憶装置やセンサの正常状態における圧縮比の可変範囲及び吸気バルブ81のバルブタイミングの可変範囲を可及的に広く設定でき、以って、内燃機関10の性能を向上させることができる。
そして、RAMやバッファなどの記憶装置の故障が発生してから係る故障発生が診断されるまでの間においては、上記に説明したメイン制御装置70及びサブ制御装置71,72における目標値の制限処理によってフェイルセーフが実施され、ピストン33と吸気バルブ81との干渉が抑制される。
制御/制限用目標値演算部70Jは、セレクトロー処理部70Dから出力される目標角度位置VCRtgmを入力し、更に、位置センサ50aが出力する圧縮比可変機構50のコントロールシャフト25の実角度位置VCRacsの信号と、第1サブ制御装置71から取得した圧縮比可変機構50のコントロールシャフト25の実角度位置VCRac1の信号とを入力する。
そして、制御/制限用目標値演算部70Kは、目標位相角VTCtgm、及び、実位相角VTCacsと実位相角VTCac2との偏差に応じて制御用目標値VTCtgc及び制限用目標値VTCtglを設定し、制御用目標値VTCtgcを第2サブ制御装置72のセレクトロー処理部72Cに出力し、制限用目標値VTCtglを第1サブ制御装置71のセレクトハイ処理部71Aに出力する。
ここで、第1サブ制御装置71は、メイン制御装置70が指示する目標角度位置VCRtgに実角度位置VCRac1を近づけるように圧縮比可変機構50のアクチュエータ51を制御するから、メイン制御装置70が認識する実角度位置VCRacsと、第1サブ制御装置71が認識する実角度位置VCRac1とに偏差があると、メイン制御装置70は目標角度位置VCRtgに見合った実角度位置に圧縮比可変機構50が制御されていないと判断する可能性がある。
これにより、メイン制御装置70は、目標角度位置VCRtgに見合った実角度位置に圧縮比可変機構50が制御されていることを正しく判断できるようになる。
そこで、図4のブロック図に示した構成においてメイン制御装置70は、実角度位置VCRacs>実角度位置VCRac1である場合の制限用目標値VCRtglを、制限用目標値VCRtgl=目標角度位置VCRtgmとすることで、認識レベルの偏差分に対応する目標値の修正処理によって干渉を発生させてしまうことを抑制する。
従って、図4に示した制御/制限用目標値演算部70J、70Kとしての機能をメイン制御装置70が備えることで、メイン制御装置70は、サブ制御装置71,72に指示した目標に見合った制御量になっているか否かを精度良く判断しつつ、ピストン33と吸気バルブ81との干渉の発生を抑制できる。
また、サブ制御装置71,72が実施するフェイルセーフ処理は、例えば、圧縮比可変機構50、可変バルブタイミング機構82のアクチュエータに出力する操作量をフェイルセーフ用操作量に固定する処理などであり、フェイルセーフ用操作量にはアクチュエータの作動を停止させる操作量が含まれる。
また、図5に示すように、圧縮比可変機構50のコントロールシャフト25の実角度位置VCRacsを検出する位置センサ50aを2重に設け、一方の位置センサ50a(1)の出力を第1サブ制御装置71に入力させ、他方の位置センサ50a(2)の出力をメイン制御装置70に入力させることができる。
ここで、相互に分解能の異なるセンサを2重に設ける構成とすることができ、例えば、メイン制御装置70に接続されるセンサに比べてサブ制御装置70に接続されるセンサの分解能をより高く設定する構成とし、図4に示したようにメイン制御装置70に制御/制限用目標値演算部70J、70Kを設けることができる。
そこで、センサ間における検出値の差と比較する故障判定用の閾値を、A/D変換処理などのばらつき分と分解能の差分との総和に応じて設定し、センサ間における検出値の差が故障判定用の閾値を超えたときにセンサ故障の発生を判定することができる。
そして、メイン制御装置70に接続されるセンサである位置センサ50a(2)、位相角センサ82a(2)と、サブ制御装置71,72に接続されるセンサである位置センサ50a(1)、位相角センサ82a(1)とのうち、メイン制御装置70に接続されるセンサが故障したことが検出された場合、サブ制御装置71,72は、位置センサ50a(1)、位相角センサ82a(1)の出力に基づいて圧縮比可変機構50、可変バルブタイミング機構82の制御を継続することができる。
但し、メイン制御装置70とサブ制御装置71,72との間で通信に要する時間のために検出値の更新が遅れ、制御量のオーバーシュートが発生するなどの制御性が低下する可能性がある。
そこで、サブ制御装置71,72に接続されるセンサが故障した場合には、圧縮比可変機構50で可変とされる圧縮比、可変バルブタイミング機構82で可変とされるバルブタイミングをフェイルセーフ用の固定目標値に制御したり、検出値の更新遅れがあってもオーバーシュートを十分に抑えることができるようにゲインを低下させてフィードバック制御を継続させたりすることができる。
前述の実施形態では、圧縮比可変機構50及び可変バルブタイミング機構82を備えた内燃機関10におけるピストン33と吸気バルブ81との干渉を抑制するための制御を示したが、排気バルブ91のバルブタイミングを可変とする可変バルブタイミング機構を備える場合、前述の実施形態と同様な処理を行うことで、ピストン33と排気バルブ91との干渉を抑制することができることは明らかである。
なお、排気バルブ91のバルブタイミングを可変とする場合、バルブタイミングを遅角する方向が、上死点における排気バルブ91とピストン33との距離を近づけ干渉が発生し易くなる方向となる。
Claims (8)
- 第1制御対象の制御量及び第2制御対象の制御量を指示するメイン制御装置と、前記メイン制御装置の指示に応じて前記第1制御対象を制御する第1サブ制御装置と、前記メイン制御装置の指示に応じて前記第2制御対象を制御する第2サブ制御装置と、を含み、
前記メイン制御装置は、前記第2制御対象の制御量に応じて前記第1制御対象の制御量の指示範囲を変更し、前記第1サブ制御装置は、前記第2制御対象の制御量に応じて前記第1制御対象の制御量の制御範囲を変更する、内燃機関の制御装置。 - 前記メイン制御装置は、更に、前記第1制御対象の制御量に応じて前記第2制御対象の制御量の指示範囲を変更し、
前記第2サブ制御装置は、前記第1制御対象の制御量に応じて前記第2制御対象の制御量の制御範囲を変更する、請求項1記載の内燃機関の制御装置。 - 前記第1サブ制御装置は、前記第2制御対象の制御量の計測値及び前記メイン制御装置による前記第2制御対象の制御量の指示値に応じて前記第1制御対象の制御量の制御範囲を変更し、
前記第2サブ制御装置は、前記第1制御対象の制御量の計測値及び前記メイン制御装置による前記第1制御対象の制御量の指示値に応じて前記第2制御対象の制御量の制御範囲を変更する、請求項2記載の内燃機関の制御装置。 - 前記第1制御対象の制御量を計測する第1センサと、前記第2制御対象の制御量を計測する第2センサとを備え、前記第1サブ制御装置は前記第1センサの信号を入力し、前記第2サブ制御装置は前記第2センサの信号を入力し、
前記メイン制御装置は、前記第1制御対象の制御量の計測値を前記第1センサ及び前記第1サブ制御装置から取得し、前記第2制御対象の制御量の計測値を前記第2センサ及び前記第2サブ制御装置から取得し、
前記第1サブ制御装置と前記第2サブ制御装置との一方は、他方の制御対象の制御量の計測値を他方から取得する、請求項2又は3記載の内燃機関の制御装置。 - 前記メイン制御装置は、前記第1制御対象の制御量について取得した2つの計測値の偏差に応じて前記第1サブ制御装置と前記第2サブ制御装置とに出力する前記第1制御対象の制御量の指示値を変更し、また、
前記メイン制御装置は、前記第2制御対象の制御量について取得した2つの計測値の偏差に応じて前記第1サブ制御装置と前記第2サブ制御装置とに出力する前記第2制御対象の制御量の指示値を変更する、請求項4記載の内燃機関の制御装置。 - 前記メイン制御装置、前記第1サブ制御装置及び前記第2制御装置は、同一の制御対象について取得した複数の制御量の信号のうち、制御量の可変範囲をより狭めることになる信号を選択する、請求項3から5のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。
- 前記メイン制御装置、前記第1サブ制御装置及び前記第2制御装置は、前記制御量の指示値の限界値を変更し、変更される限界値に応じて指示値の可変範囲を制限する、請求項2から6のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。
- 前記第1制御対象と前記第2制御対象との一方が前記内燃機関のピストンの上死点位置を変更して圧縮比を変更する圧縮比可変機構であり、他方が前記内燃機関のバルブタイミングを変更する可変動弁機構である、請求項1から7のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。
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