JP4466646B2

JP4466646B2 - 可変動弁機構の異常診断装置

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Publication number: JP4466646B2
Application number: JP2006507706A
Authority: JP
Inventors: 慎一副島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-04-05
Also published as: EP1613842A1; JP2006523798A; WO2004092549A1; US20070101959A1; US7343887B2

Description

本発明は、可変動弁機構の異常を診断する技術に関する。

近年、車両に搭載される内燃機関においては、出力向上、燃費節減、排気エミッション低減のために、可変動弁機構を採用したものが増加しつつある。可変動弁機構とは、バルブの開閉タイミングや開閉リフト量などのバルブ特性を変化させる機構である。

かかる可変動弁機構の異常を診断するために、従来より種々の手法がとられていた。例えば、以下に挙げる特許文献１や特許文献２には、カムシャフトの目標位相角とカム角センサによって検出した実際の位相角との差を求め、その差が所定の閾値内にあるか否かによって異常診断を行う技術が記載されている。また、特許文献３には、可変動弁機構の制御状態毎にクランクシャフトとカムシャフトの位相差を検出し、その制御状態毎に予め設定された基準値と検出した位相差を比較することにより異常診断を行う技術が記載されている。

特開２００２−１６１７８９号公報特開２００１−３０３９９９号公報特開平１０−１８８６９号公報特開２０００−１１０５９４号公報

上述のように、特許文献１や特許文献２に記載の技術では、目標位相角と実際の位相角とを比較して異常判定を行っていた。従って、例えば、可変動弁機構の応答性以上のスピードで目標位相角が設定された場合には、正常に可変動弁機構が反応したとしても不可避的に位相差が生じてしまい、実際には正常な動作であるにもかかわらず異常と判定されてしまう場合があった。そこで、より精度の高い異常診断方法が望まれていた。

また、特許文献３では、可変動弁機構の制御状態として、主に制御するかしないかの２通りの制御状態が想定されていた。しかし、近年の可変動弁機構は、バルブの開閉タイミングやリフト量を連続的に変化させることができるため、制御状態毎に基準値を設定するためには、開閉タイミングやリフト量に応じて、基準値を細かく場合分けする必要がある。しかし、基準値を細かく場合分けするには、その基準値の適合性を確認するための実験等に多大な労力を要してしまう。そのため、一旦決定した基準値を他の車種等に展開することは困難であった。

本発明はこのような問題を考慮してなされたものであり、より精度が高く、汎用性の高い可変動弁機構の異常診断技術を提供することを目的としている。

上記課題の少なくとも一部を解決するため、本発明を次のように構成した。すなわち、
内燃機関のクランクシャフトと該内燃機関のバルブの開閉を行なうカムシャフトとの位相を変化させることで、該バルブの開閉特性を変化させる可変動弁機構の異常を診断する異常診断装置であって、
前記カムシャフトに固定されたベーンと、該ベーンによって区画形成される二つの圧力室とを備え、前記二つの圧力室への作動流体の供給または排出によって生じる該二つの圧力室の圧力差に応じて前記ベーンを回転運動させることにより、前記クランクシャフトに対する前記カムシャフトの位相差を変化させる流体アクチュエータと、
該流体アクチュエータの二つの圧力室のそれぞれに対する前記作動流体の供給と排出とを切り換える流体コントロールバルブと、
前記内燃機関の駆動力を用いて前記流体コントロールバルブに前記作動流体を圧送するポンプと、
該流体コントロールバルブに対して前記作動流体の供給と排出とを切り換える制御信号を出力する制御装置と、
前記クランクシャフトと前記カムシャフトとの位相差を実測するカム角センサと、
前記作動流体の温度を検出する温度センサと、
前記内燃機関の回転数を検出する回転数センサと、
前記ベーンの回転運動をピストンの並進運動に相当するとみなすとともに、前記二つの圧力室を前記ピストンによって区画される二つの部屋に相当するとみなした物理モデルを表す演算式に基づいて、少なくとも前記制御信号と前記作動流体の温度と前記内燃機関の回転数とから前記ピストンの並進運動の挙動を求め、該求めたピストンの並進運動の挙動に基づいて、前記二つの圧力室の圧力差を模擬演算し、該演算した圧力差から、前記クランクシャフトと前記カムシャフトとの位相差を演算する演算部と、
該演算した位相差と前記カム角センサにより実測した位相差とを比較し、該位相差の偏差が所定値以上の場合には、前記流体アクチュエータおよび前記流体コントロールバルブの少なくとも一方が異常であると判定する判定部と、を備えることを要旨とする。

本発明の異常診断装置によれば、物理モデルに従った演算の結果得られたクランクシャフトとカムシャフトの位相差と、その実測値とを比較して異常判定を行うため、より精度の高い異常診断を行うことができる。

例えば、上記制御信号としてカムシャフトの目標位相角を設定するための信号が入力されたとする。この場合、本発明では、この目標位相角に応じて変化する実際のカムシャフトの位相角を物理モデルに従った演算によって予測し、こうして得られた理論上の位相角と、実際に検出した位相角の実測値とを比較して異常判定を行う。そのため、目標位相角が急激に変化した場合などであっても、それに応じた可変動弁機構の正常状態の挙動が予測できるため、より精度の高い異常診断を行うことができる。

また、上記構成の異常診断装置であれば、可変動弁機構の制御状態に応じて異常判定を行うための基準値を複雑な場合分け等により予め求める必要ないため、容易に他の車種へ応用を図ることが可能である。

上記異常診断装置において、
前記異常判定部は、前記理論値と実測値との差が、所定の範囲外となった場合に前記可変動弁機構を異常と判定するものとしてもよい。また、そのほか、理論値と実測値との単位時間当たりの変化量の差、即ち変化率の差に基づいて異常判定を行うものとしてもよい。

また、こうした異常診断装置において、
前記演算部は、前記演算式として、前記制御信号と前記内燃機関の回転数と前記作動流体の温度とに応じた前記流体アクチュエータおよび前記流体コントロールバルブにおける前記作動流体の流れと、前記内燃機関の回転数により大きさが異なり前記流体アクチュエータに前記カムシャフトから作用するカムシャフト反力とが含まれる式を用いて、前記圧力差を模擬演算する構成を採用することも可能である。

流体アクチュエータの挙動が、カムシャフトからの反力の影響をうけるような機構を採用している場合には、流体アクチュエータおよび流体コントロールバルブにおける流体の流れのみならず、カムシャフトからの反力も考慮したモデルに従う演算式を用いることで、流体アクチュエータにおける二つの圧力室の圧力差を、より正確に演算することができる。

更に、圧力差を演算する演算式としては、流体アクチュエータの二つの圧力室間における流体の漏れを考慮したモデルに従う式とすることも可能である。二つの圧力室間に漏れがあれば、圧力差は変化するので、かかる漏れを考慮したモデルに従う演算式を採用すれば、圧力差を一層正確に演算することができる。

流体アクチュエータにおける作動流体としては、水、油など非圧縮性の流体を採用することが考えられるが、作動流体によっては、例えば油のように、粘性が温度依存性を有する場合も考えられる。流体アクチュエータにおける二つの圧力室間の圧力差の時間的な挙動は、作動流体の粘性が温度に依存して変化すると、代わってしまう。そこで、作動油の温度を検出する油温度センサを備え、作動流体の粘性を反映した作動油の温度を考慮したモデルに従う演算式を用い、演算に用いるパラメータに動油の温度を含むものとすれば、圧力差の演算の精度を更に高くすることができる。

物理モデルに従った演算によって算出された理論値には、誤差が含まれることがある。そこで、所定の条件に基づき前記物理モデルに従った演算により算出する理論値を較正（キャリブレーション）するものとしてもよい。

較正は、例えば、内燃機関のクランクシャフトの回転数が所定値以下の場合に、理論値を初期化したり、異常診断の結果、正常と判定された場合の実測値を理論値の算出に反映させたりすることによって行うことができる。こうすることにより、物理モデルに従った演算の精度を向上させることができる。

また、理論値算出部は、可変動弁機構の線型モデルを構築し、該モデルに従ったシステム同定を行なうことで、該可変動弁機構の物理的挙動を物理モデルに従って演算することも考えられる。こうしたシステム同定は、現代制御理論により、理論的基盤が与えられており、これを実現することは容易である。また、一旦線形モデルが構築されれば、状態変数をオブザーバにより推定することができるので、このオブザーバにより求めた状態変数の値（理論値）と実際に計測された状態変数の値を比較して異常の発生を検出することは容易である。かかる構成によれば、状態変数として種々のパラメータを用いることができるので、異常検出を容易に行なうことができる。また、一旦線形モデルが作られてしまえば、機種が変更された場合でも、線形モデルのシステム同定は極めて短時間に行なえるので、開発に要する手間を大幅に低減でき、開発期間を短縮することもできる。

本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。また、本発明は、上述した異常診断装置としての構成のほか、可変動弁機構の異常診断方法、可変動弁機構を備えるエンジン、該エンジンの制御方法などとしても構成することができる。いずれの構成においても上述した各態様を適宜適用可能である。

以下、本発明の実施の形態について実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．異常診断システムの概略構成：
Ｂ．可変動弁機構の構成：
Ｃ．物理モデル：
Ｄ．異常診断処理：
Ｅ．変形例：

Ａ．異常診断システムの概略構成：
図１は、可変動弁機構１２０の異常を診断する異常診断システム１００の概略構成を示すブロック図である。異常診断システム１００は、図示するように、ＶＶＴ制御部１１０、可変動弁機構１２０、カム角センサ１３０、モデル演算部１４０、異常判定部１５０、警告灯１６０によって構成される。これらのうち、ＶＶＴ制御部１１０とモデル演算部１４０と異常判定部１５０は、それぞれ、図示しないＥＣＵのＲＯＭ内に記録された制御プログラムによってソフトウェア的に実現される。

ＥＣＵは、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭを含むマイクロコンピュータによって構成されており、種々のセンサや機器が接続される入出力ポートを備えている。入力ポートには、例えば、カム角センサ１３０や車速センサ、吸気圧センサ、クランクシャフトセンサ、アクセル開度センサ、可変動弁機構１２０に供給するオイルの温度を測定する油温センサなどが接続される。出力ポートには、例えば、可変動弁機構１２０やインストルメントパネルの警告灯１６０、燃料噴射装置、イグナイター、スロットルアクチュエータなどが接続される。

ＶＶＴ制御部１１０は、ＥＣＵの入力ポートに接続された各種センサからの入力に基づいてカムシャフトの目標位相角を決定し、かかる目標位相角に応じた制御信号を可変動弁機構１２０に出力する。

可変動弁機構１２０は、ＶＶＴ制御部１１０から入力した制御信号に従って、クランクシャフトに対する吸気側カムシャフトの位相角を変化させることにより吸気バルブの開閉タイミングを変化させる。かかる可変動弁機構１２０の詳細な説明は後述する。

カム角センサ１３０は、可変動弁機構１２０によって変化させられたカムシャフトの位相角の実測値を検出するためのセンサである。検出された位相角は、ＶＶＴ制御部１１０による可変動弁機構１２０のフィードバック制御にも用いられる。

モデル演算部１４０は、可変動弁機構１２０の物理的挙動を表す物理モデルを用いて、入力した制御信号に応じたカムシャフトの位相角の理論値を算出する。

異常判定部１５０は、カム角センサ１３０によって測定した位相角の実測値と、モデル演算部１４０によって算出した理論値とを比較して、可変動弁機構１２０の異常を判定する。異常と判定した場合には、警告灯１６０を点灯させることにより、運転者に可変動弁機構１２０が異常であることを知らせる。また、異常と判定した場合には、更に、ＥＣＵが備えるＲＡＭや書き換え可能なＲＯＭ等に異常があった旨を示す履歴を記録するものとしてもよい。

Ｂ．可変動弁機構の構成：
図２は、可変動弁機構１２０の詳細な構成を示す説明図である。可変動弁機構１２０は、図示するように、吸気側カムシャフト１２の一端に取り付けられた位相変更機構１１と、位相変更機構１１へオイルを圧送するオイルポンプ１５と、ＥＣＵから入力した制御信号に基づいてオイルポンプ１５により圧送するオイルの油路や流量を変更するオイルコントロールバルブ１６とを備える。

位相変更機構１１は、略中空円筒状のハウジング２８と、このハウジング２８内に回転可能に嵌挿されたベーン２９とを備えている。ハウジング２８は、ベーン２９を覆うカバー３８と共にボルト３０でドリブンギヤ２２に固定されており、カバー３８と共にドリブンギヤ２２と一体となって回転する。ドリブンギヤ２２は、図示しないクランクシャフトとタイミングチェーンにより接続されている。

ハウジング２８の内部には、所定間隔を隔てた位置に吸気側カムシャフト１２の軸心に向けて突出した４つの突部３３が形成されており、この４つの突部３３と、ベーン２９の４つの受圧部３２とにより、４つの進角室１３と４つの遅角室１４とが形成されている。ベーン２９は、その中心孔４０に挿入された取付ボルト４１により吸気側カムシャフト１２に固定されており、吸気側カムシャフト１２と一体となって回転する。

ベーン２９は、ハウジング２８内に回転可能に嵌挿されているため、進角室１３と遅角室１４の大きさを調整することによりクランクシャフトに対する吸気側カムシャフト１２の回転位相を変更することができる。こうした回転位相の変更は、進角室１３および遅角室１４に連通する進角側油路Ｐ１と遅角側油路Ｐ２とを介してオイルコントロールバルブ１６からオイルを供給することによって行うことができる。

オイルポンプ１５は、内燃機関の駆動力を駆動源として動作するポンプであり、オイルパン５７に貯蔵されたオイルをオイルコントロールバルブ１６に圧送する。

オイルコントロールバルブ１６は、ケーシング７０と、ケーシング７０に嵌挿されたスプール７６と、スプール７６をその軸方向に駆動する電磁ソレノイド７８と、スプール７６を電磁ソレノイド７８側に付勢するスプリング７９とを備える。ケーシング７０には、進角側油路Ｐ１に接続された進角側ポート７１と、遅角側油路Ｐ２に接続された遅角側ポート７３と、進角側油路Ｐ１から流れ込んだオイルをオイルパン５７に排出する進角側ドレンポート７２と、遅角側油路Ｐ２から流れ込んだオイルをオイルパン５７に排出する遅角側ドレンポート７４と、オイルポンプ１５から圧送されるオイルを流入する流入ポート７５とが形成されている。

スプール７６には、進角側ポート７１と遅角側ポート７３とを同時に閉口し、かつ、進角側ドレンポート７２と遅角側ドレンポート７４とが同時に開口される位置に４つの弁体７７が形成されている。したがって、スプール７６を図中左側に移動させて流入ポート７５と遅角側ポート７３とを連通させる共に進角側ポート７１と進角側ドレンポート７２とを連通させることにより、遅角側油路Ｐ２を介して遅角室１４にオイルが供給され、ベーン２９を遅角側に回転させることができる。逆に、スプール７６を図中右側に移動させて流入ポート７５と進角側ポート７１とを連通させると共に遅角側ポート７３と遅角側ドレンポート７４とを連通させることにより、進角側油路Ｐ１を介して進角室１３にオイルが供給され、ベーン２９を進角側に回転させることができる。

スプール７６の位置は、電磁ソレノイド７８による図中右側への付勢力とスプリング７９による図中左側への付勢力の釣り合いによって定まる。したがって、ＥＣＵは、電磁ソレノイド７８に対して制御信号としてデューティ信号を出力することにより、その位置の制御が可能となる。例えば、最大進角指令であるデューティ比１００％の制御信号を出力すれば、スプール７６は電磁ソレノイド７８の付勢力により最右側へ移動するため、進角室１３の容積が最大となる。逆に、最遅角指令であるデューティ比０％の制御信号を出力すれば、スプリング７９の付勢力によりスプールは最左側に移動するため、遅角室１４の容積が最大となる。

Ｃ．物理モデル：
図３は、モデル演算部１４０によって用いられる可変動弁機構１２０の物理モデルを表す説明図である。上述したように可変動弁機構１２０は、制御信号に応じて移動したスプール７６の位置の変化に従って、各オイルポート７１〜７４に流れるオイル流量および油路が変化し、位相変更機構１１のベーン２９が進角側または遅角側に回転する。そこで、本実施例では、図３に示すように、ベーン２９の回転運動をピストン２００の並進運動に相当するとみなし、さらに、オイルコントロールバルブ１６の各オイルポートをオリフィス１〜４に相当するものとみなして物理モデルに従った演算を行うものとした。具体的には、図中、オリフィス１が遅角側ポート７３、オリフィス２が遅角側ドレンポート７４、オリフィス３が進角側ポート７１、オリフィス４が進角側ドレンポート７２に相当するものとみなす。また、４つの進角室１３は、１つの進角室１３Ｂに相当するとみなし、同様に、４つの遅角室１４は、１つの遅角室１４Ｂに相当するものとみなす。

図４は、上記各オリフィスの開度を求めるためのグラフである。モデル演算部１４０が入力する制御信号はデューティ信号であるため、横軸がそのデューティ比を、縦軸が各オリフィスの開度を表している。上述したように、例えば、制御信号のデューティ比が１００％の場合には、かかる信号は最大進角指令であるため、オリフィス３とオリフィス２の開度が最大となり、逆にオリフィス１とオリフィス４の開度は、ほぼゼロとなる。すなわち、オイルポンプ１５からオイルがオリフィス３を通り進角室に流入し、ピストン２００が図中左側に移動する。それに伴いピストン２００によって遅角室のオイルがオリフィス２を通ってオイルパン５７に押し出される。

なお、ここでは、制御信号のデューティ比からオリフィスの開度を求めるものとしたが、制御信号のデューティ比を、一旦、スプール７６の位置に変換した上で、かかるスプール７６の位置に基づき各オリフィスの開度を求めてもよい。

図３のピストン２００の並進運動は、ピストン２００の質量をＭ、速度をＶ、進角室１３Ｂの油圧がピストン２００に及ぼす力をＦ_f、進角室１３Ｂの油圧がピストン２００に及ぼす力をＦ_b、カムシャフトからの反力をＦ_cとすれば、次の式（１）によって表すことができる。

ｄ（ＭＶ）／ｄｔ＝Ｆ_f−Ｆ_b−Ｆ_c …（１）

Ｆ_cは、クランクシャフトの回転数に応じて設定された所定のマップや関数などによって求めることができる。一般に、クランクシャフトの回転数が高くなるほど、Ｆ_cは大きくなる。

Ｆ_f，Ｆ_bは、進角室の圧力をｐ_f、遅角室の圧力をｐ_b、ピストン２００の断面積をＳとすると、次の式（２）（３）によって表すことができる。

Ｆ_f＝ｐ_fＳ …（２）
Ｆ_b＝ｐ_bＳ …（３）

ｐ_f，ｐ_bはともに、進角室、遅角室の容積をＶ、オイルの体積弾性係数をβ、進角室または遅角室に出入りするオイルの流量をｑとすると、次の式（４）によって表すことができる。なお、内燃機関の起動時、つまり、物理モデルに従った演算開始直後の初期状態では、進角室の容量は最小、遅角室の容量は最大、進角室および遅角室の圧力は大気圧程度となる

図２において、ベーン２９の受圧部３２とハウジング２８との間には、若干の隙間が開いており、この隙間を通じて遅角室から進角室、あるいは進角室から遅角室にオイルが漏れる場合がある。そこで、図３の物理モデルにおいてもかかる現象を再現するため、上記式（４）において、遅角室または進角室に流入するオイルの流量から漏れていくオイルの流量を差し引いたオイル流量をΣｑと表すと、上記式（４）は、次の式（４ｂ）として表すことができる。

オリフィス１〜４をそれぞれ流れるオイルの流量ｑは、流量係数をＣ、オリフィスの開口面積をＡ，オリフィスの上下流の圧力差をΔｐ、オイルの密度をρとすると、次の式（５）で表すことができる。

オリフィス１や３に流れるオイルの流量ｑを求める際には、オイルポンプ１５の油圧値が必要となるが、かかる油圧は、クランクシャフトの回転数やオイルの温度に基づき予め設定された所定のマップを用いて求めることができる。一般に、油圧は、クランクシャフトの回転数が高く油温が低いほど高くなり、回転数が低く油温が高いほど低くなる。

また、上記式（５）において流量係数Ｃは、油温によって変化するため、油温と流量係数Ｃの関係を表す所定のマップなどによって、流量ｑを補正するものとしても良い。一般に、油温が高い場合に流量係数Ｃは大きくなるため、流量ｑは大きくなる。

以上で示した式（１）〜（５）、および、図４のグラフを組み合わせることにより、最終的にピストン２００の並進方向の速度Ｖを求めることができる。従って、かかる速度Ｖを所定の演算式によってベーン２９の角速度に変換することにより、吸気側カムシャフト１２の位相角の理論値を求めることができる。

図５は、上述した物理モデルによる演算の実験結果を示すグラフである。上段のグラフは、制御信号のデューティ比の時間変化を表し、下段のグラフは、物理モデルに従った演算によって算出された位相角の理論値の時間変化を表す。図示するように、制御信号の変化に応じて、理論値が変化していることがわかる。

Ｄ．異常診断処理：
図６は、ＥＣＵのＣＰＵが実行する異常診断処理のフローチャートである。まず、ＣＰＵは、制御信号を入力し（ステップＳ１０）、上述した物理モデルによりカムシャフトの位相角の理論値を算出する（ステップＳ２０）。そしてカム角センサ１３０によって位相角の実測値を検出し（ステップＳ３０）、かかる理論値と実測値との偏差から異常判定を行う（ステップＳ４０）。偏差が、物理モデルの誤差等を予め考慮して定められた所定の閾値から外れた場合には異常と判定され、閾値内であった場合には正常と判定される。判定の結果、異常である場合（ステップＳ５０：Ｙｅｓ）には、警告灯１６０を点灯する（ステップＳ６０）。正常の場合には（ステップＳ５０：Ｎｏ）、ステップＳ６０をスキップする。かかる処理は、車両の運転中、常時実行される。

以上で説明した本実施例の異常診断システム１００によれば、可変動弁機構１２０の物理的挙動を物理モデルに従って演算して得られたカムシャフトの位相角の理論値とその実測値とを比較して異常判定を行う。従って、カムシャフトの目標位相角と実測値とを比較していた従来の異常診断方法よりも精度の高い異常診断を行うことが可能となる。また、従来は、内燃機関のアイドリング時などの比較的限定的な条件下においてのみ異常判定を行う場合があったが、本実施例によればどのようなタイミングでも異常判定を行うことができるため、早期に故障の対策をとることができる。また、物理モデルに用いられるパラメータを変えることにより、容易に他の車種への応用が可能となる。

以上、本発明の実施の形態について実施例に基づき説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、ソフトウェア的に実現した機能はハードウェアによって実現してもよい。また、例えば、以下のような変形も可能である。

Ｅ．変形例：
（１）変形例１：
上述した実施例における物理モデルに従った演算では、その演算中に誤差が生じると、その誤差が積み重なり、異常診断の精度を低下させる要因となる場合がある。そのため、異常診断の結果や車両の運転状況に応じて、物理モデルに従った演算で得られる理論値を較正（キャリブレーション）するものとしてもよい。

図７は、かかる較正を実現するために、上記図６のフローチャートに代わって実行する異常診断処理のフローチャートである。まず、ＥＣＵのＣＰＵは、クランクシャフトセンサによって検出したクランクシャフトの回転数が所定値Ｒ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。所定値Ｒ以上である場合（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）には、制御信号を入力し（ステップＳ１１０）、物理モデルにより位相角の理論値を算出する（ステップＳ１２０）。一方、クランクシャフトの回転数が所定値Ｒ未満である場合（ステップＳ１００：Ｎｏ）には、物理モデルにおいて遅角室１４Ｂの容積が最大、進角室１３Ｂの容積が最小となるように式（４）または式（４ｂ）のパラメータを初期化し、さらに、オリフィス２，３の開度を最小、オリフィス１，４の開度を最大とすることにより、位相角の理論値をゼロとする（ステップＳ１３０）。

カムシャフトの位相角は概ね、クランクシャフトの回転数が高くなるほど進角させ、回転数が低いほど遅角になるように制御されている。従って、位相角が最遅角のまま保持される回転数の閾値を上記所定値Ｒとして較正することができる。なお、ステップＳ１００では、クランクシャフトの回転数だけでなく、例えば、車速が所定値以下の場合などにステップＳ１３０を実行するものとしてもよい。

次に、ＣＰＵは、カム角センサ１３０によって検出した実際のカムシャフトの位相角を入力する（ステップＳ１４０）。そして、かかる実測値と、上記ステップＳ１１０またはＳ１３０によって得られた位相角の理論値との偏差に基づき異常判定を行う（ステップＳ１５０）。

判定の結果、異常である場合（ステップＳ１６０：Ｙｅｓ）には、警告灯１６０を点灯する（ステップＳ１７０）。正常の場合には（ステップＳ１６０：Ｎｏ）、位相角の実測値によって、物理モデルに従った演算で用いられるパラメータを較正する（ステップＳ１８０）。具体的には、位相角の実測値から進角室１３Ｂと遅角室１４Ｂの容積をそれぞれ逆算して求め、以降の物理モデルに従った演算を、この逆算結果の容積を用いることにより行う。ＣＰＵは、以上の処理を、車両の運転中、常時実行する。

本変形例によれば、クランクシャフトの回転数が所定値Ｒ以下の場合、すなわち、位相角が必ずゼロになると想定される場合や、異常診断の結果が正常と判定された場合に、物理モデルに従った演算に用いられるパラメータを較正することができる。そのため、物理モデルに従った演算の積算誤差を低減し、より精度の高い異常診断を行うことができる。なお、上記ステップＳ１３０とステップＳ１８０は、必ずしも両者とも実行する必要はなく、いずれかのみを行うものとしてもよい。

（２）変形例２：
図８は、物理モデルの変形例を示す説明図である。かかる図では、図２のスプール７６とケーシング７０の隙間からオイルが漏れることを想定し、その隙間をオリフィス５および６として表した。このような隙間を流れるオイルの流量は、上記式（５）を用いて、隙間の面積をオリフィスの開口面積Ａとすれば求めることができる。また、上述したように、ピストン２００の隙間についても同様にオリフィス７として考えることができる。このように、オイルの漏れについても物理モデルに従った演算に反映させることにより、より精度の高い異常診断を行うことが可能となる。

（３）変形例３：
図６および図７で説明した異常診断処理では、カムシャフトの位相角の理論値と実測値に基づいて異常判定を行うものとした。しかし、異常判定は、例えば、単位時間当たりの位相角の変化量の理論値と実測値に基づいて行ってもよい。また、所定時間経過後の位相角の予測値とその実測値に基づいて行ってもよい。こうすることにより、例えば、３秒後に位相角が３０度になるはずといった物理モデルに従った演算結果と、実際の３秒後の位相角の実測値とを比較して異常判定を行うことができる。

（４）変形例４：
上記の実施例では、可変動弁機構の物理的な挙動は、図３に示した物理モデルに従って計算したが、現代制御理論を用いて、可変動弁機構の線型モデルを構築し、その状態変数を適切に定め、いわゆるシステム同定の手法により、可変動弁機構に対応した物理モデル（状態方程式と出力方程式）を特定しても良い。この場合、同定された状態方程式と出力方程式に従って作られるオブザーバにより制御中の状態変数を推定することができるから、実際に観測された状態変数の値とオブザーバにより求めた状態変数（理論値）の値とを比較して、可変動弁機構の異常を判定するものとしてもよい。こうした手法によれば、状態変数として様々な物理量を用いることができるので、例えば駆動用の油の温度を状態変数の一つに用いれば、これによっても異常を判定することが可能になる。もとより、状態変数として、作動油の粘度、流速、圧力など、他のパラメータを用いることも可能である。また、かかる手法によれば、一旦線形モデルができてしまえば、機種変更などがあっても、短期間のうちに新たなモデルを同定することができ、異常判定の閾値などの設定を速やかに行なうことができるなど、開発期間を短縮することができる。

なお、上記の実施例では、何れも作動流体として、粘性が温度依存性を有する油を用いたが、温度に対して粘性がほとんど変化しない作動油を用いた場合には、粘性ρを固定値として扱っても差し支えない。また、作動流体としては、油の他、水など、他の非圧縮性の流体も採用可能である。

産業上の利用分野

本発明は、内燃機関の可変動弁機構の異常診断装置および異常診断方法として、内燃機関それ自体、内燃機関を用いた車両（２輪車を含む）、船舶などの産業において用いることができる。

異常診断システム１００の概略構成を示すブロック図である。可変動弁機構１２０の詳細な構成を示す説明図である。可変動弁機構１２０の物理モデルを表す説明図である。オリフィスの開度を求めるためのグラフである。物理モデルによる演算の実験結果を示すグラフである。異常診断処理のフローチャートである。物理モデルに従った演算の較正を実現するためのフローチャートである。物理モデルの変形例を示す説明図である。

符号の説明

１１…位相変更機構
１２…吸気側カムシャフト
１３…進角室
１４…遅角室
１５…オイルポンプ
１６…オイルコントロールバルブ
２２…ドリブンギヤ
２８…ハウジング
２９…ベーン
３０…ボルト
３２…受圧部
３３…突部
３８…カバー
４０…中心孔
４１…取付ボルト
５７…オイルパン
７０…ケーシング
７１…進角側ポート
７２…進角側ドレンポート
７３…遅角側ポート
７４…遅角側ドレンポート
７５…流入ポート
７６…スプール
７７…弁体
７８…電磁ソレノイド
７９…スプリング
１００…異常診断システム
１１０…ＶＶＴ制御部
１２０…可変動弁機構
１３０…カム角センサ
１４０…モデル演算部
１５０…異常判定部
１６０…警告灯
２００…ピストン
Ｐ１…進角側油路
Ｐ２…遅角側油路

Claims

内燃機関のクランクシャフトと該内燃機関のバルブの開閉を行なうカムシャフトとの位相を変化させることで、該バルブの開閉特性を変化させる可変動弁機構の異常を診断する異常診断装置であって、
前記カムシャフトに固定されたベーンと、該ベーンによって区画形成される二つの圧力室とを備え、前記二つの圧力室への作動流体の供給または排出によって生じる該二つの圧力室の圧力差に応じて前記ベーンを回転運動させることにより、前記クランクシャフトに対する前記カムシャフトの位相差を変化させる流体アクチュエータと、
該流体アクチュエータの二つの圧力室のそれぞれに対する前記作動流体の供給と排出とを切り換える流体コントロールバルブと、
前記内燃機関の駆動力を用いて前記流体コントロールバルブに前記作動流体を圧送するポンプと、
該流体コントロールバルブに対して前記作動流体の供給と排出とを切り換える制御信号を出力する制御装置と、
前記クランクシャフトと前記カムシャフトとの位相差を実測するカム角センサと、
前記作動流体の温度を検出する温度センサと、
前記内燃機関の回転数を検出する回転数センサと、
前記ベーンの回転運動をピストンの並進運動に相当するとみなすとともに、前記二つの圧力室を前記ピストンによって区画される二つの部屋に相当するとみなした物理モデルを表す演算式に基づいて、少なくとも前記制御信号と前記作動流体の温度と前記内燃機関の回転数とから前記ピストンの並進運動の挙動を求め、該求めたピストンの並進運動の挙動に基づいて、前記二つの圧力室の圧力差を模擬演算し、該演算した圧力差から、前記クランクシャフトと前記カムシャフトとの位相差を演算する演算部と、
該演算した位相差と前記カム角センサにより実測した位相差とを比較し、該位相差の偏差が所定値以上の場合には、前記流体アクチュエータおよび前記流体コントロールバルブの少なくとも一方が異常であると判定する判定部と
を備えた可変動弁機構の異常診断装置。
請求項１記載の異常診断装置であって、
前記演算部は、前記演算式として、前記制御信号と前記内燃機関の回転数と前記作動流体の温度とに応じた前記流体アクチュエータおよび前記流体コントロールバルブにおける前記作動流体の流れと、前記内燃機関の回転数により大きさが異なり前記流体アクチュエータに前記カムシャフトから作用するカムシャフト反力とが含まれる式を用いて、前記圧力差を模擬演算する
異常診断装置。
請求項２記載の異常診断装置であって、
前記演算式は、前記二つの圧力室間における前記作動流体の漏れを考慮した式である異常診断装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の異常診断装置であって、
前記演算部は、所定の条件において求めた前記位相差の演算値を用いて、較正（キャリブレーション）を行なう異常診断装置。