JP2016070161A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動の可変バルブタイミング機構における駆動部分に異物が噛み込んだ場合に、これを自律的に除去できるようにする。【解決手段】電動の可変バルブタイミング機構が付帯した内燃機関を制御するものであって、目標のバルブタイミングと、可変バルブタイミング機構が具現している実際のバルブタイミングとの偏差が所定時間継続して発生している場合に、偏差を拡大させる方向に可変バルブタイミング機構を駆動する操作を実施する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、電動の可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構が付帯する内燃機関を制御する制御装置に関する。

車両等に搭載される内燃機関について、吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ機構を備えたものが公知である。下記特許文献１には、各気筒の吸気バルブまたは排気バルブを開閉させるカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機によって変化させる電動のＶＶＴ機構（モータドライブＶＶＴ）が開示されている。

特開２０１４−０３１７６３号公報

電動のＶＶＴ機構の駆動部分、例えば遊星歯車機構のプラネタリギヤとリングギヤとの間の部分等には、潤滑材としてエンジンオイルが供給される。だが、このエンジンオイルには時として異物が混入することがあり、その異物が駆動部分に噛み込んでＶＶＴ機構の正常な作動を妨げることがあり得る。

本発明は、内燃機関に付随する電動のＶＶＴ機構における駆動部分に異物が噛み込んだ場合にこれを自律的に除去できるようにすることを所期の目的とする。

本発明では、電動の可変バルブタイミング機構が付帯した内燃機関を制御するものであって、目標のバルブタイミングと、可変バルブタイミング機構が具現している実際のバルブタイミングとの偏差が所定時間継続して発生している場合に、偏差を拡大させる方向に可変バルブタイミング機構を駆動する操作を実施する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、電動のＶＶＴ機構における駆動部分に噛み込んだ異物を自律的に除去できるようになる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関に付帯する電動ＶＶＴ機構のＩ−Ｉ線断面図。 同ＶＶＴ機構のII−II線断面図。 同ＶＶＴ機構のIII−III線断面図。 同ＶＶＴ機構のIV−IV線断面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。

本実施形態における内燃機関には、吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できる電動のＶＶＴ機構６が付随している。ＶＶＴ機構６は、各気筒１の吸気バルブを開閉させる吸気カムシャフト６２のクランクシャフトに対する回転位相を電動機６４によって変化させる既知のもの（モータドライブＶＶＴ）である。

図２ないし図５に、本発実施形態におけるＶＶＴ機構６の構造を示している。このＶＶＴ機構６は、駆動源となる電動機６４、通電制御回路部６７及び位相調整機構６８を主たる構成要素とする。

電動機６４は、例えばブラシレスモータ等であり、内燃機関の不動部位に固定されるモータケース６５と、当該ケース６５により正逆回転自在に支持されるモータ軸６６とを有している。通電制御回路部６７は、駆動ドライバ等を含み、モータケース６５の外部及び／または内部に配置されて電動機６４と電気的に接続されている。通電制御回路部６７は、電動機６４への通電を制御することにより、モータ軸６６を回転駆動する駆動トルクを発生する。

位相調整機構６８は、リングギヤであるサンギヤ６１２、駆動回転体６１０、従動回転体６２０、プラネタリキャリア６４０及びプラネタリギヤ６５０を備えている。図２に示すように、サンギヤ６１２は、歯底円の内周側に歯先円を有する駆動側内歯車部６１８を、周壁部の内周面に有している。

図２及び図３に示すように、共に有底の円筒状を呈する駆動回転体６１０とサンギヤ６１２とは、互いに同軸上に配置されて螺子止めされている。駆動回転体６１０とサンギヤ６１２とは、位相調整機構６８の他の構成要素６２０、６４０、６５０を収容する空間を、各々の内部に共同して形成している。

駆動回転体６１０は、周壁部の内周面にジャーナル部６１４を有している。また、駆動回転体６１０は、回転方向に等間隔をあけた複数箇所から径方向外側へ突出するスプロケット歯６１５を、周壁部の外周面に有している。駆動回転体６１０は、スプロケット歯６１５に掛けられたタイミングチェーンによってクランクシャフトと連繋する。かかる連繋により、内燃機関の出力するエンジントルク即ち内燃機関の出力軸であるクランクシャフトの回転トルクが、タイミングチェーンを通じて駆動回転体６１０に伝達される。このときには、駆動回転体６１０がクランク軸と連動してサンギヤ６１２と一体回転する。その回転方向は一定方向（図３の時計方向）である。

有底の円筒状を呈する従動回転体６２０は、駆動回転体６１０の内周側に同軸上に配置されている。従動回転体６２０は、ジャーナル部６１４を内周側から軸受する軸受部６２４を、周壁部の内周面に有している。また、従動回転体６２０は、螺子止めによりカムシャフト６２に同軸上に連結される連結部６２１を、底壁部に有している。かかる連結により従動回転体６２０は、カムシャフト６２と連動して回転しつつ、駆動回転体６１０に対して相対回転可能となっている。この従動回転体６２０の回転方向は、駆動回転体６１０と同一方向（図４の時計方向）となる。また、駆動回転体６１０に対する従動回転体６２０の相対回転により、それら回転体６１０、６２０間の相対位相である回転体間位相が変化する。

従動回転体６２０は、歯底円の内周側に歯先円を有する従動側内歯車部６２２を、周壁部の内周面に有している。従動側内歯車部６２２は、駆動側内歯車部６１８に対して軸方向にずれて配置されている。従動側内歯車部６２２の歯数は、駆動側内歯車部６１８の歯数よりも少なく設定されている。

円筒状を呈するプラネタリキャリア６４０は、入力部６４１を周壁部の内周面に有している。入力部６４１は、回転体６１０、６２０とサンギヤ６１２とモータ軸６６とに対して同軸上に配置されている。入力部６４１には、継手６４３の嵌合する嵌合溝６４２が設けられ、当該継手６４３を介してモータ軸６６がプラネタリキャリア６４０と連結されている。かかる連結によりプラネタリキャリア６４０は、モータ軸６６と一体回転しつつ、サンギヤ６１２に対して相対回転可能となっている。

プラネタリキャリア６４０はさらに、入力部６４１に対して偏心する偏心支持部６４４を、周壁部の外周面に有している。偏心支持部６４４は、ベアリング６４５を介してプラネタリギヤ６５０の中心孔６５１に嵌合することにより、当該プラネタリギヤ５０を遊星運動可能に内周側から支持している。ここで遊星運動とは、プラネタリギヤ６５０が偏心支持部６４４の偏心軸線周りに自転しつつ、プラネタリキャリア６４０の回転軸線周りに公転する運動をいう。

段付の円筒状を呈するプラネタリギヤ６５０は、歯底円の外周側に歯先円を有する駆動側外歯車部６５２と従動側外歯車部６５４とを、それぞれ周壁部の外周面に有している。駆動側外歯車部６５２及び従動側外歯車部６５４の歯数は、それぞれ駆動側内歯車部６１８及び従動側内歯車部６２２の歯数よりも同数ずつ少なくなるように設定されている。駆動側外歯車部６５２は、駆動側内歯車部６１８の内周側に偏心して配置され、当該内歯車部６１８と噛合している。従動側外歯車部６５４は、駆動側外歯車部６５２から軸方向にずれてかつ従動側内歯車部６２２の内周側に偏心して配置され、当該内歯車部６２２と噛合している。

このように差動歯車式の位相調整機構６８は、モータ軸６６の駆動トルクに従って駆動回転体６１０に対する従動回転体６２０の回転体間位相を調整することにより、当該回転体間位相に応じたバルブタイミングを実現する。

具体的には、モータ軸６６が駆動回転体６１０及びサンギヤ６１２と同速に回転することにより、プラネタリキャリア６４０がサンギヤ６１２に対して相対回転しないときには、プラネタリギヤ６５０が遊星運動することなく回転体６１０、６２０と連れ回りする。その結果、回転体間位相は変化せず、バルブタイミングが保持されることになる。

一方、モータ軸６６が駆動回転体６１０及びサンギヤ６１２に対して高速に回転することにより、プラネタリキャリア６４０がサンギヤ６１２に対する進角側へ相対回転するときには、プラネタリギヤ６５０が遊星運動して従動回転体６２０が駆動回転体６１０に対する進角側へ相対回転する。その結果、回転体間位相は進角側へ変化し、バルブタイミングが進角することになる。

また一方、モータ軸６６が駆動回転体６１０及びサンギヤ６１２に対して低速にまたは逆に回転することにより、プラネタリキャリア６４０がサンギヤ６１２に対する遅角側へ相対回転するときには、プラネタリギヤ６５０が遊星運動して従動回転体６２０が駆動回転体６１０に対する遅角側へ相対回転する。その結果、回転体間位相は遅角側へ変化し、バルブタイミングが遅角することになる。

以上に加えて、図２及び図４に示すように、駆動回転体６１０と従動回転体６２０とには、それぞれストッパ凹部６１６とストッパ凸部６２６とが設けられている。ストッパ凹部６１６は、回転方向に間隔をあけた複数箇所において、駆動回転体６１０の周壁部の内周面から径方向外側に凹んでいる。ストッパ凸部６２６は、回転方向に間隔をあけた複数箇所において、従動回転体６２０の周壁部の外周面から径方向外側に突出している。各ストッパ凸部６２６は、それぞれ対応するストッパ凹部６１６に挿入されて、当該対応凹部６１６内を回転体６１０、６２０の回転方向に揺動可能となっている。

一つのストッパ凸部６２６ａには、他のストッパ凸部６２６よりも大きな幅が、回転方向に設定されている。かかる設定により、ストッパ凸部６２６ａが対応凹部６１６の回転方向の一端面に係止されることで、回転体間位相の進角側変化が規制される一方、ストッパ凸部６２６ａが対応凹部６１６の回転方向の他端面に係止されることで、回転体間位相の遅角側変化が規制される。なお、ストッパ凸部６２６ａ以外のストッパ凸部６２６と、その対応凹部６１６とは、予備のストッパ構造として設けられている。

共に金属製のサンギヤ６１２と駆動回転体６１０とは、図３に示すように回転方向に等間隔をあけた複数箇所を、金属製の螺子部材６０により軸方向に螺子止めされることで、図２及び図５に示す軸方向一端面１２０、１００同士を面接触させている。

サンギヤ６１２と駆動回転体６１０とは、図２ないし図５に示すように特定の二つの螺子部材６０間となる回転方向の一箇所を軸方向に貫通する金属製の位置決め部材６８０により、回転方向に位置決めされている。

また、駆動回転体６１０において遊挿孔１０２の径方向内側には、軸受部６２４に軸受されるジャーナル部６１４が位置している。かかる位置関係により、駆動回転体６１０においてジャーナル部６１４は、圧入孔１０３の径方向内側からは外れて位置することで、当該圧入孔１０３とは軸方向にずれている。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｄ、車載のバッテリ１７の電流及び／または電圧を検出する電流／電圧センサから出力されるバッテリ電流／電圧信号ｅ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、ブレーキペダルが踏まれていることまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサ（ブレーキスイッチやマスタシリンダ圧センサ等）から出力されるブレーキ信号ｈ等が入力される。

クランク角センサは、クランクシャフトが所定角度、具体的には１０°ＣＡ（クランク角度）に回転する毎にパルス信号を発信する。ＥＣＵ０は、このパルスをクランク角信号ｂとして受信する。但し、クランク角センサは、クランクシャフトが一回転する間に三十六回のパルスを出力するわけではない。十七番目、十八番目、二十番目、二十一番目、三十五番目及び三十六番目のパルスは欠損する。当該パルスの欠損を基に、現在のクランクシャフトの絶対角度（姿勢）を知得することが可能である。

カム角センサは、少なくともカムシャフトの一回転を気筒数で割った角度毎にパルス信号を発信する。カムシャフトの回転速度はクランクシャフトの回転速度の半分であることから、カム角センサは、クランク角度に換算すれば２４０°ＣＡ毎にパルスを発信することになる。加えて、カム角センサは、その一回転即ち７２０°ＣＡ毎に一回、追加的なパルスを発生させる。ＥＣＵ０は、これらパルスをカム角信号ｇとして受信する。

出力インタフェースからは、イグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構６に対して吸気バルブタイミングの制御信号ｎ等を出力する。吸気バルブタイミングの制御信号ｎは、通電制御回路部６７を介して電動機６４のモータ軸６６の回転方向及び回転速度を制御するための信号である。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、吸気バルブの開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

ところで、ＶＶＴ機構６の駆動部分、例えばリングギヤ６１２とプラネタリギヤ６５０との間やプラネタリギヤ６５０と従動回転体６２０との間の歯車の噛合箇所には、潤滑材としてエンジンオイルが供給される。だが、このエンジンオイルには時として異物が混入することがあり、その異物が駆動部分に噛み込んでＶＶＴ機構６の正常な作動の妨げとなることが起こり得る。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、目標のバルブタイミングと、ＶＶＴ機構６が具現している実際のバルブタイミングとの偏差が所定時間継続して発生しているときに、偏差を拡大させる方向にＶＶＴ機構を駆動する操作を実施し、以て噛み込んだ異物の除去を試みる。

吸気バルブの開閉タイミングについての目標タイミングは、原則として、内燃機関の運転領域（特に、エンジン回転数）に応じて設定される。目標バルブタイミングの具体的な設定の態様は、既知の内燃機関の制御と同様とすることができる。基本的には、エンジン回転数が高くなるほど吸気バルブの目標開閉タイミングが進角する。但し、高回転高負荷域に限っては、エンジン回転数が高くなるほど吸気バルブの目標開閉タイミングが遅角する。

他方、ＶＶＴ機構６が具現している現在の吸気バルブの開閉タイミングは、クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇを参照して知得することができる。ＥＣＵ０は、目標のバルブタイミングと実測のバルブタイミングとの偏差を縮小する方向に電動機６４を駆動することを通じて、バルブタイミングをフィードバック制御する。

その上で、目標のバルブタイミングと実測のバルブタイミングとの偏差が縮小しない状態が所定時間継続した場合には、逆に偏差を拡大させる方向に電動機６４を駆動する。即ち、実測のバルブタイミングが目標のバルブタイミングよりも遅れている状態が継続しているのであれば、バルブタイミングを遅角させる方向に電動機６４を駆動し、実測のバルブタイミングが目標のバルブタイミングよりも進んでいる状態が継続しているのであれば、バルブタイミングを進角させる方向に電動機６４を駆動する。

このような操作により、噛合する歯車同士が互いに押し付け合う力を弱めさせ、歯と歯との間にクリアランスを生じさせて、噛み込んでしまった異物を排出することが可能となる。なお、異物の排出のために、電動機６４を偏差を拡大させる逆方向に一定時間駆動するようにしてもよいし、電動機６４を偏差を拡大させる逆方向に駆動した後、偏差を縮小する正方向に駆動し、さらに偏差を拡大させる逆方向に駆動する……というように正逆両方向の駆動を反復してもよい。噛み込んでいた異物が除去されれば、再び電動機６４を正方向に駆動して偏差を縮小し目標バルブタイミングを実現することができるようになる。

上記の操作をある時間、例えば十秒間実行した後も、噛み込んだ異物が除去されずに偏差を縮小することができないならば、電動ＶＶＴ機構６に異常が発生している旨を示す情報（ダイアグノーシスコード）をメモリに書き込んで記憶保持するとともに、その旨を運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知する。例えば、車両のコックピット内の警告灯（エンジンチェックランプ）を点灯させたり、ディスプレイに異常の旨を表示したり、警告音を出力したりする。加えて、フェイルセーフ処理として、特定の運転領域で内燃機関を運転するようにしてもよい。

本実施形態では、電動のＶＶＴ機構６が付帯した内燃機関を制御するものであって、目標のバルブタイミングと、ＶＶＴ機構６が具現している実際のバルブタイミングとの偏差が所定時間継続して発生している場合に、偏差を拡大させる方向にＶＶＴ機構６を駆動する操作を実施する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、電動のＶＶＴ機構６における駆動部分に異物が噛み込んだ場合にこれを自律的に除去して動作不良を解消することが可能となり、製品としての品質が向上する。また、ＶＶＴ機構６の性能の維持を目的として、エンジンオイルに混入する異物を完全に除去できるような緻密で高コストなオイルフィルタを使用する必要性から解放される。加えて、そのようなフィルタによるエンジンオイルポンプの圧力損失の発生を回避することができ、効率の改善、燃費性能の良化も期待できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
６…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構

Claims (1)

1. 電動の可変バルブタイミング機構が付帯した内燃機関を制御するものであって、
   目標のバルブタイミングと、可変バルブタイミング機構が具現している実際のバルブタイミングとの偏差が所定時間継続して発生している場合に、偏差を拡大させる方向に可変バルブタイミング機構を駆動する操作を実施する内燃機関の制御装置。

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