JP4489380B2 - 可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気バルブの異なる作動特性を変更する複数の可変動弁機構を備えた内燃機関において、可変動弁機構故障時のフェールセーフ制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において、吸気バルブのバルブタイミング（弁開閉タイミング）を変更する第１の可変動弁機構（可変バルブタイミング機構）と、吸気バルブのリフト量を連続的に変更する第２の可変動弁機構（可変バルブリフト機構）とを備えたものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
このものでは、一方の可変動弁機構が故障した場合、他方の正常な可変動弁機構により、ピストンに干渉しない範囲で吸気バルブの作動特性をフェールセーフ制御することにより、ピストン干渉による機関の破損を防止しつつ、フェールセーフ走行を可能としている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６５３２１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピストン干渉しない範囲で、正常な可変動弁機構をフェールセーフ制御したときに、吸気バルブの開弁時期（ＩＶＯ）を進角しすぎると、排気バルブとのオーバーラップ量が大きくなり、残留既燃ガス量（いわゆる内部ＥＧＲ量）が増大するため、燃焼安定性を確保できなくなり、運転性をより悪化させるという問題があった。
【０００６】
一方、減速時には吸気バルブの開弁時期を遅角しすぎると、筒内負圧の上昇により筒内へ吸引されて消費されるエンジンオイル量が増大してエンジンオイル上がりを発生し、機関に損傷を与えるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、吸気バルブの異なる作動特性を変更する複数の可変動弁機構のいずれかが故障した時に、他の正常な可変動弁機構を適切に制御することにより、ピストン干渉を防止しつつ運転性の悪化やオイル上がりを最小限に抑えることができるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、第１の発明は、吸気バルブのリフト量を可変とする第１の可変動弁機構と、バルブタイミングを可変とする第２の可変動弁機構と、を備えた内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
各可変動弁機構の制御状態を検出する検出手段と、
各可変動弁機構の故障の有無を診断する診断手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記吸気バルブとピストンとの干渉が生じない進角限界より遅角側でかつ吸気上死点ないし、上死点より遅角側に、前記吸気バルブの開弁時期の進角方向の第１限界値を設定する制御限界値設定手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記診断手段で故障と判定された可変動弁機構の故障時の制御状態を前記検出手段で検出し、検出した該故障時の制御状態と前記第１限界値とに基づいて、前記正常側の可変動弁機構の制御目標値を設定する故障時目標値設定手段と、
前記故障時目標値設定手段により設定された故障時の制御目標値となるように前記正常側の可変動弁機構を制御することにより、残留既燃ガス量を基準値以下に維持するフェールセーフを実行するフェールセーフ制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、吸気バルブのリフト量を可変とする第１の可変動弁機構と、バルブタイミングを可変とする第２の可変動弁機構と、を備えた内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
各可変動弁機構の制御状態を検出する検出手段と、
各可変動弁機構の固着故障の有無を診断する診断手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記吸気バルブとピストンとの干渉が生じない進角限界より遅角側でかつ吸気上死点ないし、上死点より遅角側に、前記吸気バルブの開弁時期の進角方向の第１限界値を設定する制御限界値設定手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が固着故障していると判定したときに、前記診断手段で故障と判定された可変動弁機構の固着故障時の制御状態を前記検出手段で検出し、検出した該固着故障時の制御状態と前記第１限界値とに基づいて、前記正常側の可変動弁機構の制御目標値を設定する故障時目標値設定手段と、
前記故障時目標値設定手段により設定された故障時の制御目標値となるように前記正常側の可変動弁機構を制御することにより、残留既燃ガス量を基準値以下に維持するフェールセーフを実行するフェールセーフ制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
これにより、残留既燃ガス量を基準値以下に維持できる開弁時期の進角限界がピストンとの干渉を防止できる進角限界より遅角側に設定され、該進角限界を超えて進角されないように吸気バルブの作動特性が制御されるので、ピストンとの干渉を防止しつつ残留既燃ガス量の増大を抑制でき、良好な燃焼安定性を確保してフェールセーフ運転を行うことができる。
【００１２】
また、第３の発明は、吸気バルブのリフト量を可変とする第１の可変動弁機構と、バルブタイミングを可変とする第２の可変動弁機構と、を備えた内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
各可変動弁機構の制御状態を検出する検出手段と、
各可変動弁機構の固着故障の有無を診断する診断手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記吸気バルブとピストンとの干渉が生じない進角限界より遅角側でかつ吸気上死点ないし、上死点より遅角側に、前記吸気バルブの開弁時期の進角方向の第１限界値を設定すると共に、前記吸気バルブの開弁時期の遅角方向の第２限界値を前記第１限界値より遅角側に設定する制御限界値設定手段と、
機関の減速状態を判定する減速判定手段と、
機関の非減速時に前記第１限界値を選択し、減速時に前記第２限界値を選択する選択手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が固着故障していると判定したときに、前記診断手段で故障と判定された可変動弁機構の固着故障時の制御状態を前記検出手段で検出し、検出した該固着故障時の制御状態と前記選択手段で選択された第１限界値または第２限界値とに基づいて、前記正常側の可変動弁機構の制御目標値を設定する故障時目標値設定手段と、
前記故障時目標値設定手段により設定された故障時の制御目標値となるように前記正常側の可変動弁機構を制御することにより、非減速時には前記第１限界値によって残留既燃ガス量を基準値以下に維持し、減速時には前記第２限界値によって筒内負圧を所定値未満に維持するフェールセーフを実行するフェールセーフ制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
これにより、ピストンとの干渉、エンジンオイル上がりを防止して機関の損傷を回避できると共に、残留既燃ガス量の増大を抑制して良好な燃焼安定性を確保しつつフェールセーフ運転を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関の構成図であり、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。
【００１５】
燃焼排気は燃焼室１０６から排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記排気バルブ１０７は、排気側カム軸１１０に軸支されたカム１１１によって一定のリフト量及び作動角（開から閉までのクランク角）を保って開閉駆動されるが、吸気バルブ１０５は、可変バルブリフト機構１１２によってリフト量及び作動角が連続的に変えられるようになっている。なお、リフト量と作動角とは、一方の特性が決まれば他方の特性も決まるように同時に変えられる。
【００１６】
同じく吸気側には、前記クランク軸と吸気側カム軸との回転位相差を連続的に可変制御して、吸気バルブ１０５のバルブタイミング（弁開閉タイミング）を進遅角する機構で構成される可変バルブタイミング機構２０１及び該吸気側カム軸の回転位置を検出するための吸気側カム角センサ２０２が吸気側カム軸の両端部に設けられる。上記のように、吸気バルブ１０５の異なる作動特性であるリフト量（作動角）とバルブタイミングとをそれぞれ変更する複数の可変動弁機構として、可変バルブリフト機構１１２と可変バルブタイミング機構２０１とを備える。
【００１７】
マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１１４は、スロットルバルブ１０３ｂの開度及び吸気バルブ１０５の開特性によってアクセル開度ＡＣＣに対応する目標吸入空気量が得られるように、アクセル開度センサＡＰＳ１１６で検出されるアクセルペダルの開度等に応じて前記電子制御スロットル１０４、可変バルブリフト機構１１２及び可変バルブタイミング機構２０１を制御する。
【００１８】
前記コントロールユニット１１４には、前記アクセル開度センサＡＰＳ１１６、後述する回転角センサ１２７、前記吸気側カム角センサ２０２の他、機関１０１の吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランク軸から回転信号を取り出すクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８，機関１０１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１１９等からの検出信号が入力される。
【００１９】
また、各気筒の吸気バルブ１０５上流側の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられ、該燃料噴射弁１３１は、前記コントロールユニット１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。
【００２０】
図２〜図４は、前記可変バルブリフト機構１１２の構造を詳細に示すものである。
図２〜図４に示す可変バルブリフト機構は、一対の吸気バルブ１０５，１０５と、シリンダヘッド１１のカム軸受１４に回転自在に支持された中空状のカム軸１３（駆動軸）と、該カム軸１３に軸支された回転カムである２つの偏心カム１５，１５（駆動カム）と、前記カム軸１３の上方位置に同じカム軸受１４に回転自在に支持された制御軸１６と、該制御軸１６に制御カム１７を介して揺動自在に支持された一対のロッカアーム１８，１８と、各吸気バルブ１０５，１０５の上端部にバルブリフター１９，１９を介して配置された一対のそれぞれ独立した揺動カム２０，２０とを備えている。
【００２１】
前記偏心カム１５，１５とロッカアーム１８，１８とは、リンクアーム２５，２５によって連係され、ロッカアーム１８，１８と揺動カム２０，２０とは、リンク部材２６，２６によって連係されている。
【００２２】
上記ロッカアーム１８，１８，リンクアーム２５，２５，リンク部材２６，２６が伝達機構を構成する。
前記偏心カム１５は、図５に示すように、略リング状を呈し、小径なカム本体１５ａと、該カム本体１５ａの外端面に一体に設けられたフランジ部１５ｂとからなり、内部軸方向にカム軸挿通孔１５ｃが貫通形成されていると共に、カム本体１５ａの軸心Ｘがカム軸１３の軸心Ｙから所定量だけ偏心している。
【００２３】
また、前記一対の偏心カム１５は、カム軸１３に対し前記バルブリフター１９に干渉しない両外側にカム軸挿通孔１５ｃを介して圧入固定されていると共に、カム本体１５ａの外周面１５ｄが同一のカムプロフィールに形成されている。
【００２４】
前記ロッカアーム１８は、図４に示すように、略クランク状に屈曲形成され、中央の基部１８ａが制御カム１７に回転自存に支持されている。
また、基部１８ａの外端部に突設された一端部１８ｂには、リンクアーム２５の先端部と連結するピン２１が圧入されるピン孔１８ｄが貫通形成されている一方、基部１８ａの内端部に突設された他端部１８ｃには、各リンク部材２６の後述する一端部２６ａと連結するピン２８が圧入されるピン孔１８ｅが形成されている。
【００２５】
前記制御カム１７は、円筒状を呈し、制御軸１６外周に固定されていると共に、図２に示すように軸心Ｐ１位置が制御軸１６の軸心Ｐ２からαだけ偏心している。
【００２６】
前記揺動カム２０は、図２及び図６，図７に示すように略横Ｕ字形状を呈し、略円環状の基端部２２にカム軸１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔２２ａが貫通形成されていると共に、ロッカアーム１８の他端部１８ｃ側に位置する端部２３にピン孔２３ａが貫通形成されている。
【００２７】
また、揺動カム２０の下面には、基端部２２側の基円面２４ａと該基円面２４ａから端部２３端縁側に円弧状に延びるカム面２４ｂとが形成されており、該基円面２４ａとカム面２４ｂとが、揺動カム２０の揺動位置に応じて各バルブリフター１９の上面所定位置に当接するようになっている。
【００２８】
即ち、図８に示すバルブリフト特性からみると、図２に示すように基円面２４ａの所定角度範囲θ１がベースサークル区間になり、カム面２４ｂの前記ベースサークル区間θ１から所定角度範囲θ２が所謂ランプ区間となり、更に、カム面２４ｂのランプ区間θ２から所定角度範囲θ３がリフト区間になるように設定されている。
【００２９】
また、前記リンクアーム２５は、円環状の基部２５ａと、該基部２５ａの外周面所定位置に突設された突出端２５ｂとを備え、基部２５ａの中央位置には、前記偏心カム１５のカム本体１５ａの外周面に回転自在に嵌合する嵌合穴２５ｃが形成されている一方、突出端２５ｂには、前記ピン２１が回転自在に挿通するピン孔２５ｄが貫通形成されている。
【００３０】
更に、前記リンク部材２６は、所定長さの直線状に形成され、円形状の両端部２６ａ，２６ｂには前記ロッカアーム１８の他端部１８ｃと揺動カム２０の端部２３の各ピン孔１８ｄ，２３ａに圧入した各ピン２８，２９の端部が回転自在に挿通するピン挿通孔２６ｃ，２６ｄが貫通形成されている。
【００３１】
尚、各ピン２１，２８，２９の一端部には、リンクアーム２５やリンク部材２６の軸方向の移動を規制するスナップリング３０，３１，３２が設けられている。
【００３２】
上記構成において、制御軸１６の軸心Ｐ２と制御カム１７の軸心Ｐ１との位置関係によって、図６，７に示すように、リフト量が変化することになり、前記制御軸１６を回転駆動させることで、制御カム１７の軸心Ｐ１に対する制御軸１６の軸心Ｐ２の位置を変化させる。
【００３３】
前記制御軸１６は、図１０に示すような構成により、ＤＣサーボモータ（アクチュエータ）１２１によって所定回転角度範囲内で回転駆動されるようになっており、前記制御軸１６の作動角を前記アクチュエータ１２１で変化させることで、吸気バルブ１０５のリフト量及び作動角が連続的に変化する（図９参照）。
【００３４】
図１０において、ＤＣサーボモータ１２１は、その回転軸が制御軸１６と平行になるように配置され、回転軸の先端には、かさ歯車１２２が軸支されている。一方、前記制御軸１６の先端に一対のステー１２３ａ，１２３ｂが固定され、一対のステー１２３ａ，１２３ｂの先端部を連結する制御軸１６と平行な軸周りに、ナット１２４が揺動可能に支持される。
【００３５】
前記ナット１２４に噛み合わされるネジ棒１２５の先端には、前記かさ歯車１２２に噛み合わされるかさ歯車１２６が軸支されており、ＤＣサーボモータ１２１の回転によってネジ棒１２５が回転し、該ネジ棒１２５に噛み合うナット１２４の位置が、ネジ棒１２５の軸方向に変位することで、制御軸１６が回転されるようになっている。
【００３６】
ここで、ナット１２４の位置をかさ歯車１２６に近づける方向が、リフト量が小さくなる方向で、逆に、ナット１２４の位置をかさ歯車１２６から遠ざける方向が、リフト量が大きくなる方向となっている。
【００３７】
前記制御軸１６の先端には、図１０に示すように、制御軸１６の回転角を検出するポテンショメータ式の回転角センサ１２７が設けられており、該回転角センサ１２７で検出される実際の回転角が目標回転角に一致するように、前記コントロールユニット１１４が前記ＤＣサーボモータ１２１をフィードバック制御する。ここで、制御軸１６の回転角制御によってリフト量と作動角とは同時に変えられるので、回転角センサ１２７は作動角を検出すると同時にリフト量を検出するものである。
【００３８】
かかる可変動弁機構により吸気バルブ１０５の作動特性を変更して吸気量を制御するが、本発明では２種の可変動弁機構である可変バルブリフト機構１１２と可変バルブタイミング機構２０１との一方が故障したときに、他方の正常な可変動弁機構により、吸気バルブ１０５のフェールセーフ制御を行い、これにより、吸気バルブ１０５とピストンとの干渉、残留既燃ガス量増大による燃焼安定性の悪化、筒内負圧増大によるエンジンオイル上がりを防止して、機関損傷を防止しつつフェールセーフ走行を可能とする。
【００３９】
以下に、コントロールユニット１１４による前記吸気バルブ１０５の制御を、図１１のブロック図に従って説明する。
ブロックＢ１は、アクセル開度センサ１１６により検出されるアクセル開度ＡＣＣとクランク角センサ１１７によって検出された機関回転速度Ｎｅとに基づいて、目標トルクが得られる吸気バルブ１０５の目標作動角に対応する前記可変バルブリフト機構１１２の基本制御量（制御軸１６の回転角）ＴＧＶＥＬ０を設定し、ブロックＢ２に出力する。
【００４０】
ブロックＢ３は、同じくアクセル開度ＡＣＣと機関回転速度Ｎｅとに基づいて、目標トルクが得られる吸気バルブ１０５の目標バルブタイミングに対応する前記可変バルブタイミング機構２０１の基本制御量ＴＧＶＴＣ０を設定し、ブロックＢ４に出力する。
【００４１】
ブロックＢ５は、可変バルブタイミング機構２０１の故障（固着）の有無を診断し、診断結果（ＶＴＣ故障判定フラグ）を前記ブロックＢ２に出力する。
ブロックＢ２は、前記ブロックＢ５により可変バルブタイミング機構２０１が正常と診断された場合は、前記ブロックＢ１で設定された可変バルブリフト機構１１２の基本制御量ＴＧＶＥＬ０を、そのまま目標制御量ＴＧＶＥＬとして出力するが、可変バルブタイミング機構２０１が故障していると診断された場合は、後述する各ブロックにより設定された可変バルブリフト機構１１２のフェールセーフ制御量ＦＳＶＥＬを目標制御量ＴＧＶＥＬとして出力する。
【００４２】
ブロックＢ６は、可変バルブリフト機構１１２の故障（固着）の有無を診断し、診断結果（ＶＥＬ故障判定フラグ）を前記ブロックＢ４に出力する。
ブロックＢ４は、前記ブロックＢ６により可変バルブリフト機構１１２が正常と診断された場合は、前記ブロックＢ３で設定された可変バルブタイミング機構２０１の目標バルブタイミングＴＧＶＴＣ０をそのまま目標バルブタイミングＴＧＶＴＣとして出力するが、可変バルブリフト機構１１２が故障していると診断された場合は、後述する各ブロックにより設定された可変バルブタイミング機構２０１のフェールセーフ制御量ＦＳＶＴＣを目標制御量ＴＧＶＴＣとして出力する。
【００４３】
以下、いずれかの可変動弁機構が故障したときの正常な可変動弁機構によるフェールセーフ制御を実行するためのブロックについて説明する。
ブロックＢ７〜ブロックＢ１３は、いずれの可変動弁機構が故障した場合でも共通に設定される吸気バルブ１０５の開弁時期ＩＶＯを設定するためのブロックである。
【００４４】
ブロックＢ７は、通常状態（非減速時）で排気バルブ１０７とのオーバーラップによる残留既燃ガス量を基準値以下に維持できる開弁時期ＴＶＯの進角方向の限界値として進角限界ＩＶＯＬａｄｖを設定し、ブロックＢ１３に出力する。具体的には、進角限界ＩＶＯＬａｄｖを、例えば吸気上死点のクランク角位置＝３６０°とすると、３８０°に設定する。上記進角限界ＩＶＯＬａｄｖは、吸気バルブ１０５とピストンとの干渉を防止できる進角限界より遅角側に設定される。
【００４５】
ブロックＢ８は、減速時に筒内負圧を所定値以下に維持できる開弁時期ＩＶＯの遅角方向の限界値として遅角限界ＩＶＯＬｒｔｄを設定し、ブロックＢ１３に出力する。ここで、前記減速時における遅角限界ＩＶＯＬｒｔｄは、予め実験により筒内負圧が所定値以上（例えば絶対圧で−６５０ｍｍＨｇ以下）とならない開弁時期として設定できる。上記遅角限界ＩＶＯＬｒｔｄは、ピストンとの干渉を防止できる進角限界より遅角側に設定される。なお、故障時の実作動角中心が進角側に位置して作動角及びリフト量を大きくすることができない場合は、リフト量が大きい場合に比較して筒内負圧が増大しやすいので、遅角限界ＩＶＯＬｒｔｄをより遅角側に設定するようにしてもよい。
【００４６】
ブロックＢ１０は、前記アクセル開度センサ１１６により検出されるアクセル開度ＡＰＳの今回値と、ブロックＢ１１から出力される前回値との差分を算出し、ブロックＢ１２は、該差分の正負に基づいて、減速時か否かを判定する（今回値−前回値＜０のとき減速時と判定）。
【００４７】
ブロックＢ１３は、前記ブロックＢ１０の判定結果に基づいて、非減速時は吸気上死点に設定された進角限界ＩＶＯＬadvを出力し、減速時は筒内負圧が所定値以上とならない角度に設定された遅角限界ＩＶＯＬrtdを出力する。すなわち、非減速時は減速時に比較して筒内負圧が大きくなりにくく、筒内負圧が所定値以上となる遅角限界が残留既燃ガス量で制限される進角限界ＩＶＯＬadvより遅角側にあるため、該進角限界ＩＶＯＬadvまで進角させて出力を確保するように、開弁時期のフェールセーフ制御量として進角限界ＩＶＯＬadvを選択する。一方、低出力乃至非出力（燃料カット）状態の減速時は残留既燃ガス量は問題にならずエンジンオイル上がりが問題となるので、減速時の遅角限界ＩＶＯＬrtdまで進角させるように遅角限界ＩＶＯＬrtdを選択する。
【００４８】
そして、一方の可変動弁機構の故障時は、他方の正常な可変動弁機構により、吸気バルブ１０５の開弁時期ＩＶＯを、上記のように設定された進角限界ＩＶＯＬadvまたは遅角限界ＩＶＯＬrtdに制御する。
【００４９】
まず、可変バルブタイミング機構２０１故障時における可変バルブリフト機構１１２のフェールセーフ制御量を設定するブロックについて説明する。
ブロックＢ１４は、ブロックＢ１５から出力された可変バルブタイミング機構２０１の停止状態での最遅角された吸気バルブ１０５の作動角中心（開時期と閉時期との中間のクランク角位置、例えば吸気上死点＝３６０°とした場合４７０°）ＶＴＣ０から、前記吸気側カム角センサ２０２により検出された進角制御量ＶＴＣＮＯＷを減算して、故障時に固着した可変バルブタイミング機構２０１における吸気バルブ１０５の実作動角中心（クランク角位置）ＮＧＶＴＣを算出する。
【００５０】
ブロックＢ１６は、前記可変バルブタイミング機構２０１故障時の実作動角中心ＮＧＶＴＣから、前記ブロックＢ１３からの進角限界ＩＶＯＬadvまたは遅角限界ＩＶＯＬrtd相当のクランク角位置を減算する。
【００５１】
上記ブロックＢ１６で算出されたクランク角度は、吸気バルブ１０５の作動角の１／２に相当するので、ブロックＢ１７で２倍のゲインを乗じて作動角を算出した後、ブロックＢ１８で作動角を可変バルブリフト量１１２の制御量（制御軸１６の回転角）に変換し、この制御量をフェールセーフ制御量ＦＳＶＥＬとして前記ブロックＢ２に出力する。
【００５２】
可変バルブタイミング機構２０１故障時は、既述のようにブロックＢ２が前記フェールセーフ制御量ＦＳＶＥＬを目標制御量ＴＧＶＥＬとして可変バルブリフト機構１１２に出力するので、吸気バルブ１０５の開弁時期ＩＶＯが、通常状態（非減速時）は上死点近傍の進角限界ＩＶＯＬadvとし、減速時は筒内負圧が所定値以上とならない遅角限界ＩＶＯＬrtdとするように作動角及びリフト量が制御される。
【００５３】
図１２は、可変バルブタイミング機構２０１故障時の可変バルブリフト機構１１２によるフェールセーフ制御の様子を示す。
例えば（Ａ）に示すように、通常状態（非減速時）に可変バルブタイミング機構２０１故障時における作動角中心ＮＧＶＴＣがａ，ｂのいずれであっても、ピストンと干渉しない範囲での開弁時期ＩＶＯの進角限界は吸気上死点ＩＴＤＣより進角側にあるが、この進角限界まで進角させると排気バルブとのオーバーラップによる残留既燃ガス量が増大して燃焼安定性が悪化し、実質的にフェールセーフ運転が困難になる。そこで、可変バルブリフト機構１１２によって、開弁時期ＩＶＯを進角限界ＩＶＯadvに制限して進角させるように吸気バルブ１０５の作動角を制御することにより、ピストンとの干渉を防止しつつ残留既燃ガス量を基準値以下に維持して燃焼安定性を良好に確保でき、フェールセーフ運転を行える。なお、進角限界ＩＶＯadvまで進角させることで、できるだけリフト量を大きくして出力を確保することができる。
【００５４】
一方（Ｂ）に示すように、減速時には吸気バルブ１０５の目標リフト量は小さめに設定されるが、可変バルブタイミング機構２０１故障時における作動角中心ＮＧＶＴＣが遅角側にあると開弁時期ＩＶＯが遅角になりすぎて筒内負圧が増大し、エンジンオイル上がりを招く可能性を生じる。そこで、可変バルブリフト機構１１２によって、開弁時期ＩＶＯを前記遅角限界ＩＶＯＬrtdまで強制的に進角させることにより、ピストンとの干渉を防止しつつ筒内負圧を所定値以下に留めてエンジンオイル上がりも確実に防止して、フェールセーフ運転を行うことができる。
【００５５】
次に、可変バルブリフト機構１１２故障時における可変バルブタイミング機構２０１のフェールセーフ制御量を設定するブロックについて説明する。
ブロックＢ１９は、前記回転角センサ１２７により検出された前記制御軸１６の実回転角ＲＥＶＥＬを吸気バルブ１０５の実作動角ＲＥＥＶＥＮＴに変換する。
【００５６】
ブロックＢ２０は、前記実作動角ＲＥＥＶＥＮＴにゲイン１／２を乗じて実作動角中心から実開弁時期までのクランク角度を算出する。
ブロックＢ２１は、前記算出値に前記ブロックＢ１３からの開弁時期ＩＶＯ（進角限界ＩＶＯＬavdまたは遅角限界ＩＶＯＬrtd）を加算して、目標開弁時期に対応する作動角中心の目標値（クランク角位置）を算出する。
【００５７】
ブロックＢ２２は、前記作動角中心の目標値から、前記ブロックＢ１５からの可変バルブタイミング機構２０１の停止状態での作動角中心ＶＴＣ０を減算し、負の値（進角量）として可変バルブタイミング機構２０１の制御量を算出し、この制御量をフェールセーフ制御量ＦＳＶＴＣとして前記ブロックＢ４に出力する。
【００５８】
可変バルブリフト機構１１２故障時は、既述のようにブロックＢ４が前記フェールセーフ制御量ＦＳＶＴＣを目標制御量ＴＧＶＴＣとして可変バルブタイミング機構２０１に出力するので、吸気バルブ１０５の開弁時期ＩＶＯが、通常状態（非減速時）は上死点近傍の進角限界ＩＶＯＬadvとし、減速時は筒内負圧が所定値以上とならない遅角限界ＩＶＯＬrtdとするようにバルブタイミングが制御される。
【００５９】
図１３は、可変バルブリフト機構１１２故障時の可変バルブタイミング機構２０１によるフェールセーフ制御の様子を示す。
例えば（Ａ）に示すように、通常状態（非減速時）に可変バルブリフト機構２０１故障時における作動角がａ，ｂのいずれであっても、ピストンと干渉しない範囲での開弁時期ＩＶＯの進角限界は吸気上死点ＩＴＤＣより進角側にあり、この進角限界まで進角させると排気バルブとのオーバーラップによる残留既燃ガス量が増大して燃焼安定性が悪化し、実質的にフェールセーフ運転が困難になる。そこで、可変バルブタイミング機構２０１によって、開弁時期ＩＶＯを進角限界ＩＶＯadvに制限して進角させるように吸気バルブ１０５のバルブタイミングを制御することにより、ピストンとの干渉を防止しつつ残留既燃ガス量を基準値以下に維持して燃焼安定性を良好に確保でき、フェールセーフ運転を行える。
【００６０】
一方（Ｂ）に示すように、減速時には可変バルブタイミング機構２０１故障時における作動角中心ＮＧＶＴＣが遅角側にあると開弁時期ＩＶＯが遅角になりすぎて筒内負圧が増大し、エンジンオイル上がりを招く可能性を生じる。そこで、可変バルブタイミング機構２０１によって、開弁時期ＩＶＯを前記遅角限界ＩＶＯＬrtdまで強制的に進角させるように吸気バルブ１０５のバルブタイミングを制御することにより、ピストンとの干渉を防止しつつ筒内負圧を所定値以下に留めてエンジンオイル上がりも確実に防止して、フェールセーフ運転を行うことができる。
【００６１】
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項２または請求項３に記載の可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置において、減速時の遅角限界は、非減速時の遅角限界より遅角側に設定することを特徴とする。
【００６２】
（ロ）請求項２または請求項３、（イ）のいずれか１つに記載の可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置において、いずれかの可変動弁機構が吸気バルブのリフト量を可変であり、他の可変動弁機構が故障して前記リフト量を可変な可変動弁機構で吸気バルブの作動特性を制御するときに、前記遅角限界を低リフト時には高リフト時より、遅角側に設定することを特徴とする。
【００６３】
このようにすれば、低リフト時は、高リフト時に比較して筒内負圧が増大しやすいので、遅角限界をより遅角側に設定することが、筒内負圧の増大を確実に抑制できる。
【００６４】
（ハ）請求項２または請求項３、（イ）、（ロ）のいずれか１つに記載の可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置において、遅角限界は減速時の筒内圧（絶対圧）が−６５０mmHg以下にならないように設定された値であることを特徴とする。
【００６５】
このようにすれば、筒内圧に基づいて設定した遅角限界によって、確実にエンジンオイル上がりを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可変動弁制御装置を備えた内燃機関のシステム構成図。
【図２】可変動弁機構を示す断面図（図３のＡ−Ａ断面図）。
【図３】上記可変動弁機構の側面図。
【図４】上記可変動弁機構の平面図。
【図５】上記可変動弁機構に使用される偏心カムを示す斜視図。
【図６】上記可変動弁機構の低リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。
【図７】上記可変動弁機構の高リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。
【図８】上記可変動弁機構における揺動カムの基端面とカム面に対応したバルブリフト特性図。
【図９】上記可変動弁機構のバルブタイミングとバルブリフトの特性図。
【図１０】上記可変動弁機構における制御軸の回転駆動機構を示す斜視図。
【図１１】実施形態における吸気バルブ制御のブロック図。
【図１２】同上実施形態における可変バルブタイミング機構故障時の可変バルブリフト機構による吸気バルブ制御の様子を示す図。
【図１３】同上実施形態における可変バルブリフト機構故障時の可変バルブタイミング機構による吸気バルブ制御の様子を示す図。
【符号の説明】
１３…カム軸 １５…偏心カム １６…制御軸 １７…制御カム１８…ロッカアーム ２０…揺動カム ２５…リンクアーム １０１…内燃機関 １０４…電子制御スロットル １０５…吸気バルブ １１２…可変バルブリフト機構 １１４…コントロールユニット １１５…エアフローメータ １１６…アクセル開度センサ １１７…クランク角センサ１１８…スロットルセンサ １２１…ＤＣサーボモータ（アクチュエータ） １２７…回転角センサ ２０１…可変バルブタイミング機構 ２０２…吸気側カム角センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気バルブの異なる作動特性を変更する複数の可変動弁機構を備えた内燃機関において、可変動弁機構故障時のフェールセーフ制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において、吸気バルブのバルブタイミング（弁開閉タイミング）を変更する第１の可変動弁機構（可変バルブタイミング機構）と、吸気バルブのリフト量を連続的に変更する第２の可変動弁機構（可変バルブリフト機構）とを備えたものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
このものでは、一方の可変動弁機構が故障した場合、他方の正常な可変動弁機構により、ピストンに干渉しない範囲で吸気バルブの作動特性をフェールセーフ制御することにより、ピストン干渉による機関の破損を防止しつつ、フェールセーフ走行を可能としている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６５３２１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピストン干渉しない範囲で、正常な可変動弁機構をフェールセーフ制御したときに、吸気バルブの開弁時期（ＩＶＯ）を進角しすぎると、排気バルブとのオーバーラップ量が大きくなり、残留既燃ガス量（いわゆる内部ＥＧＲ量）が増大するため、燃焼安定性を確保できなくなり、運転性をより悪化させるという問題があった。
【０００６】
一方、減速時には吸気バルブの開弁時期を遅角しすぎると、筒内負圧の上昇により筒内へ吸引されて消費されるエンジンオイル量が増大してエンジンオイル上がりを発生し、機関に損傷を与えるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、吸気バルブの異なる作動特性を変更する複数の可変動弁機構のいずれかが故障した時に、他の正常な可変動弁機構を適切に制御することにより、ピストン干渉を防止しつつ運転性の悪化やオイル上がりを最小限に抑えることができるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、第１の発明は、吸気バルブのリフト量を可変とする第１の可変動弁機構と、バルブタイミングを可変とする第２の可変動弁機構と、を備えた内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
各可変動弁機構の制御状態を検出する検出手段と、
各可変動弁機構の故障の有無を診断する診断手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記吸気バルブとピストンとの干渉が生じない進角限界より遅角側でかつ吸気上死点ないし、上死点より遅角側に、前記吸気バルブの開弁時期の進角方向の第１限界値を設定する制御限界値設定手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記診断手段で故障と判定された可変動弁機構の故障時の制御状態を前記検出手段で検出し、検出した該故障時の制御状態と前記第１限界値とに基づいて、前記正常側の可変動弁機構の制御目標値を設定する故障時目標値設定手段と、
前記故障時目標値設定手段により設定された故障時の制御目標値となるように前記正常側の可変動弁機構を制御することにより、残留既燃ガス量を基準値以下に維持するフェールセーフを実行するフェールセーフ制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、吸気バルブのリフト量を可変とする第１の可変動弁機構と、バルブタイミングを可変とする第２の可変動弁機構と、を備えた内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
各可変動弁機構の制御状態を検出する検出手段と、
各可変動弁機構の固着故障の有無を診断する診断手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記吸気バルブとピストンとの干渉が生じない進角限界より遅角側でかつ吸気上死点ないし、上死点より遅角側に、前記吸気バルブの開弁時期の進角方向の第１限界値を設定する制御限界値設定手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が固着故障していると判定したときに、前記診断手段で故障と判定された可変動弁機構の固着故障時の制御状態を前記検出手段で検出し、検出した該固着故障時の制御状態と前記第１限界値とに基づいて、前記正常側の可変動弁機構の制御目標値を設定する故障時目標値設定手段と、
前記故障時目標値設定手段により設定された故障時の制御目標値となるように前記正常側の可変動弁機構を制御することにより、残留既燃ガス量を基準値以下に維持するフェールセーフを実行するフェールセーフ制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
これにより、残留既燃ガス量を基準値以下に維持できる開弁時期の進角限界がピストンとの干渉を防止できる進角限界より遅角側に設定され、該進角限界を超えて進角されないように吸気バルブの作動特性が制御されるので、ピストンとの干渉を防止しつつ残留既燃ガス量の増大を抑制でき、良好な燃焼安定性を確保してフェールセーフ運転を行うことができる。
【００１２】
また、第３の発明は、吸気バルブのリフト量を可変とする第１の可変動弁機構と、バルブタイミングを可変とする第２の可変動弁機構と、を備えた内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
各可変動弁機構の制御状態を検出する検出手段と、
各可変動弁機構の固着故障の有無を診断する診断手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記吸気バルブとピストンとの干渉が生じない進角限界より遅角側でかつ吸気上死点ないし、上死点より遅角側に、前記吸気バルブの開弁時期の進角方向の第１限界値を設定すると共に、前記吸気バルブの開弁時期の遅角方向の第２限界値を前記第１限界値より遅角側に設定する制御限界値設定手段と、
機関の減速状態を判定する減速判定手段と、
機関の非減速時に前記第１限界値を選択し、減速時に前記第２限界値を選択する選択手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が固着故障していると判定したときに、前記診断手段で故障と判定された可変動弁機構の固着故障時の制御状態を前記検出手段で検出し、検出した該固着故障時の制御状態と前記選択手段で選択された第１限界値または第２限界値とに基づいて、前記正常側の可変動弁機構の制御目標値を設定する故障時目標値設定手段と、
前記故障時目標値設定手段により設定された故障時の制御目標値となるように前記正常側の可変動弁機構を制御することにより、非減速時には前記第１限界値によって残留既燃ガス量を基準値以下に維持し、減速時には前記第２限界値によって筒内負圧を所定値未満に維持するフェールセーフを実行するフェールセーフ制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
これにより、ピストンとの干渉、エンジンオイル上がりを防止して機関の損傷を回避できると共に、残留既燃ガス量の増大を抑制して良好な燃焼安定性を確保しつつフェールセーフ運転を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関の構成図であり、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。
【００１５】
燃焼排気は燃焼室１０６から排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記排気バルブ１０７は、排気側カム軸１１０に軸支されたカム１１１によって一定のリフト量及び作動角（開から閉までのクランク角）を保って開閉駆動されるが、吸気バルブ１０５は、可変バルブリフト機構１１２によってリフト量及び作動角が連続的に変えられるようになっている。なお、リフト量と作動角とは、一方の特性が決まれば他方の特性も決まるように同時に変えられる。
【００１６】
同じく吸気側には、前記クランク軸と吸気側カム軸との回転位相差を連続的に可変制御して、吸気バルブ１０５のバルブタイミング（弁開閉タイミング）を進遅角する機構で構成される可変バルブタイミング機構２０１及び該吸気側カム軸の回転位置を検出するための吸気側カム角センサ２０２が吸気側カム軸の両端部に設けられる。上記のように、吸気バルブ１０５の異なる作動特性であるリフト量（作動角）とバルブタイミングとをそれぞれ変更する複数の可変動弁機構として、可変バルブリフト機構１１２と可変バルブタイミング機構２０１とを備える。
【００１７】
マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１１４は、スロットルバルブ１０３ｂの開度及び吸気バルブ１０５の開特性によってアクセル開度ＡＣＣに対応する目標吸入空気量が得られるように、アクセル開度センサＡＰＳ１１６で検出されるアクセルペダルの開度等に応じて前記電子制御スロットル１０４、可変バルブリフト機構１１２及び可変バルブタイミング機構２０１を制御する。
【００１８】
前記コントロールユニット１１４には、前記アクセル開度センサＡＰＳ１１６、後述する回転角センサ１２７、前記吸気側カム角センサ２０２の他、機関１０１の吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランク軸から回転信号を取り出すクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８，機関１０１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１１９等からの検出信号が入力される。
【００１９】
また、各気筒の吸気バルブ１０５上流側の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられ、該燃料噴射弁１３１は、前記コントロールユニット１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。
【００２０】
図２〜図４は、前記可変バルブリフト機構１１２の構造を詳細に示すものである。
図２〜図４に示す可変バルブリフト機構は、一対の吸気バルブ１０５，１０５と、シリンダヘッド１１のカム軸受１４に回転自在に支持された中空状のカム軸１３（駆動軸）と、該カム軸１３に軸支された回転カムである２つの偏心カム１５，１５（駆動カム）と、前記カム軸１３の上方位置に同じカム軸受１４に回転自在に支持された制御軸１６と、該制御軸１６に制御カム１７を介して揺動自在に支持された一対のロッカアーム１８，１８と、各吸気バルブ１０５，１０５の上端部にバルブリフター１９，１９を介して配置された一対のそれぞれ独立した揺動カム２０，２０とを備えている。
【００２１】
前記偏心カム１５，１５とロッカアーム１８，１８とは、リンクアーム２５，２５によって連係され、ロッカアーム１８，１８と揺動カム２０，２０とは、リンク部材２６，２６によって連係されている。
【００２２】
上記ロッカアーム１８，１８，リンクアーム２５，２５，リンク部材２６，２６が伝達機構を構成する。
前記偏心カム１５は、図５に示すように、略リング状を呈し、小径なカム本体１５ａと、該カム本体１５ａの外端面に一体に設けられたフランジ部１５ｂとからなり、内部軸方向にカム軸挿通孔１５ｃが貫通形成されていると共に、カム本体１５ａの軸心Ｘがカム軸１３の軸心Ｙから所定量だけ偏心している。
【００２３】
また、前記一対の偏心カム１５は、カム軸１３に対し前記バルブリフター１９に干渉しない両外側にカム軸挿通孔１５ｃを介して圧入固定されていると共に、カム本体１５ａの外周面１５ｄが同一のカムプロフィールに形成されている。
【００２４】
前記ロッカアーム１８は、図４に示すように、略クランク状に屈曲形成され、中央の基部１８ａが制御カム１７に回転自存に支持されている。
また、基部１８ａの外端部に突設された一端部１８ｂには、リンクアーム２５の先端部と連結するピン２１が圧入されるピン孔１８ｄが貫通形成されている一方、基部１８ａの内端部に突設された他端部１８ｃには、各リンク部材２６の後述する一端部２６ａと連結するピン２８が圧入されるピン孔１８ｅが形成されている。
【００２５】
前記制御カム１７は、円筒状を呈し、制御軸１６外周に固定されていると共に、図２に示すように軸心Ｐ１位置が制御軸１６の軸心Ｐ２からαだけ偏心している。
【００２６】
前記揺動カム２０は、図２及び図６，図７に示すように略横Ｕ字形状を呈し、略円環状の基端部２２にカム軸１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔２２ａが貫通形成されていると共に、ロッカアーム１８の他端部１８ｃ側に位置する端部２３にピン孔２３ａが貫通形成されている。
【００２７】
また、揺動カム２０の下面には、基端部２２側の基円面２４ａと該基円面２４ａから端部２３端縁側に円弧状に延びるカム面２４ｂとが形成されており、該基円面２４ａとカム面２４ｂとが、揺動カム２０の揺動位置に応じて各バルブリフター１９の上面所定位置に当接するようになっている。
【００２８】
即ち、図８に示すバルブリフト特性からみると、図２に示すように基円面２４ａの所定角度範囲θ１がベースサークル区間になり、カム面２４ｂの前記ベースサークル区間θ１から所定角度範囲θ２が所謂ランプ区間となり、更に、カム面２４ｂのランプ区間θ２から所定角度範囲θ３がリフト区間になるように設定されている。
【００２９】
また、前記リンクアーム２５は、円環状の基部２５ａと、該基部２５ａの外周面所定位置に突設された突出端２５ｂとを備え、基部２５ａの中央位置には、前記偏心カム１５のカム本体１５ａの外周面に回転自在に嵌合する嵌合穴２５ｃが形成されている一方、突出端２５ｂには、前記ピン２１が回転自在に挿通するピン孔２５ｄが貫通形成されている。
【００３０】
更に、前記リンク部材２６は、所定長さの直線状に形成され、円形状の両端部２６ａ，２６ｂには前記ロッカアーム１８の他端部１８ｃと揺動カム２０の端部２３の各ピン孔１８ｄ，２３ａに圧入した各ピン２８，２９の端部が回転自在に挿通するピン挿通孔２６ｃ，２６ｄが貫通形成されている。
【００３１】
尚、各ピン２１，２８，２９の一端部には、リンクアーム２５やリンク部材２６の軸方向の移動を規制するスナップリング３０，３１，３２が設けられている。
【００３２】
上記構成において、制御軸１６の軸心Ｐ２と制御カム１７の軸心Ｐ１との位置関係によって、図６，７に示すように、リフト量が変化することになり、前記制御軸１６を回転駆動させることで、制御カム１７の軸心Ｐ１に対する制御軸１６の軸心Ｐ２の位置を変化させる。
【００３３】
前記制御軸１６は、図１０に示すような構成により、ＤＣサーボモータ（アクチュエータ）１２１によって所定回転角度範囲内で回転駆動されるようになっており、前記制御軸１６の作動角を前記アクチュエータ１２１で変化させることで、吸気バルブ１０５のリフト量及び作動角が連続的に変化する（図９参照）。
【００３４】
図１０において、ＤＣサーボモータ１２１は、その回転軸が制御軸１６と平行になるように配置され、回転軸の先端には、かさ歯車１２２が軸支されている。一方、前記制御軸１６の先端に一対のステー１２３ａ，１２３ｂが固定され、一対のステー１２３ａ，１２３ｂの先端部を連結する制御軸１６と平行な軸周りに、ナット１２４が揺動可能に支持される。
【００３５】
前記ナット１２４に噛み合わされるネジ棒１２５の先端には、前記かさ歯車１２２に噛み合わされるかさ歯車１２６が軸支されており、ＤＣサーボモータ１２１の回転によってネジ棒１２５が回転し、該ネジ棒１２５に噛み合うナット１２４の位置が、ネジ棒１２５の軸方向に変位することで、制御軸１６が回転されるようになっている。
【００３６】
ここで、ナット１２４の位置をかさ歯車１２６に近づける方向が、リフト量が小さくなる方向で、逆に、ナット１２４の位置をかさ歯車１２６から遠ざける方向が、リフト量が大きくなる方向となっている。
【００３７】
前記制御軸１６の先端には、図１０に示すように、制御軸１６の回転角を検出するポテンショメータ式の回転角センサ１２７が設けられており、該回転角センサ１２７で検出される実際の回転角が目標回転角に一致するように、前記コントロールユニット１１４が前記ＤＣサーボモータ１２１をフィードバック制御する。ここで、制御軸１６の回転角制御によってリフト量と作動角とは同時に変えられるので、回転角センサ１２７は作動角を検出すると同時にリフト量を検出するものである。
【００３８】
かかる可変動弁機構により吸気バルブ１０５の作動特性を変更して吸気量を制御するが、本発明では２種の可変動弁機構である可変バルブリフト機構１１２と可変バルブタイミング機構２０１との一方が故障したときに、他方の正常な可変動弁機構により、吸気バルブ１０５のフェールセーフ制御を行い、これにより、吸気バルブ１０５とピストンとの干渉、残留既燃ガス量増大による燃焼安定性の悪化、筒内負圧増大によるエンジンオイル上がりを防止して、機関損傷を防止しつつフェールセーフ走行を可能とする。
【００３９】
以下に、コントロールユニット１１４による前記吸気バルブ１０５の制御を、図１１のブロック図に従って説明する。
ブロックＢ１は、アクセル開度センサ１１６により検出されるアクセル開度ＡＣＣとクランク角センサ１１７によって検出された機関回転速度Ｎｅとに基づいて、目標トルクが得られる吸気バルブ１０５の目標作動角に対応する前記可変バルブリフト機構１１２の基本制御量（制御軸１６の回転角）ＴＧＶＥＬ０を設定し、ブロックＢ２に出力する。
【００４０】
ブロックＢ３は、同じくアクセル開度ＡＣＣと機関回転速度Ｎｅとに基づいて、目標トルクが得られる吸気バルブ１０５の目標バルブタイミングに対応する前記可変バルブタイミング機構２０１の基本制御量ＴＧＶＴＣ０を設定し、ブロックＢ４に出力する。
【００４１】
ブロックＢ５は、可変バルブタイミング機構２０１の故障（固着）の有無を診断し、診断結果（ＶＴＣ故障判定フラグ）を前記ブロックＢ２に出力する。
ブロックＢ２は、前記ブロックＢ５により可変バルブタイミング機構２０１が正常と診断された場合は、前記ブロックＢ１で設定された可変バルブリフト機構１１２の基本制御量ＴＧＶＥＬ０を、そのまま目標制御量ＴＧＶＥＬとして出力するが、可変バルブタイミング機構２０１が故障していると診断された場合は、後述する各ブロックにより設定された可変バルブリフト機構１１２のフェールセーフ制御量ＦＳＶＥＬを目標制御量ＴＧＶＥＬとして出力する。
【００４２】
ブロックＢ６は、可変バルブリフト機構１１２の故障（固着）の有無を診断し、診断結果（ＶＥＬ故障判定フラグ）を前記ブロックＢ４に出力する。
ブロックＢ４は、前記ブロックＢ６により可変バルブリフト機構１１２が正常と診断された場合は、前記ブロックＢ３で設定された可変バルブタイミング機構２０１の目標バルブタイミングＴＧＶＴＣ０をそのまま目標バルブタイミングＴＧＶＴＣとして出力するが、可変バルブリフト機構１１２が故障していると診断された場合は、後述する各ブロックにより設定された可変バルブタイミング機構２０１のフェールセーフ制御量ＦＳＶＴＣを目標制御量ＴＧＶＴＣとして出力する。
【００４３】
以下、いずれかの可変動弁機構が故障したときの正常な可変動弁機構によるフェールセーフ制御を実行するためのブロックについて説明する。
ブロックＢ７〜ブロックＢ１３は、いずれの可変動弁機構が故障した場合でも共通に設定される吸気バルブ１０５の開弁時期ＩＶＯを設定するためのブロックである。
【００４４】
ブロックＢ７は、通常状態（非減速時）で排気バルブ１０７とのオーバーラップによる残留既燃ガス量を基準値以下に維持できる開弁時期ＴＶＯの進角方向の限界値として進角限界ＩＶＯＬａｄｖを設定し、ブロックＢ１３に出力する。具体的には、進角限界ＩＶＯＬａｄｖを、例えば吸気上死点のクランク角位置＝３６０°とすると、３８０°に設定する。上記進角限界ＩＶＯＬａｄｖは、吸気バルブ１０５とピストンとの干渉を防止できる進角限界より遅角側に設定される。
【００４５】
ブロックＢ８は、減速時に筒内負圧を所定値以下に維持できる開弁時期ＩＶＯの遅角方向の限界値として遅角限界ＩＶＯＬｒｔｄを設定し、ブロックＢ１３に出力する。ここで、前記減速時における遅角限界ＩＶＯＬｒｔｄは、予め実験により筒内負圧が所定値以上（例えば絶対圧で−６５０ｍｍＨｇ以下）とならない開弁時期として設定できる。上記遅角限界ＩＶＯＬｒｔｄは、ピストンとの干渉を防止できる進角限界より遅角側に設定される。なお、故障時の実作動角中心が進角側に位置して作動角及びリフト量を大きくすることができない場合は、リフト量が大きい場合に比較して筒内負圧が増大しやすいので、遅角限界ＩＶＯＬｒｔｄをより遅角側に設定するようにしてもよい。
【００４６】
ブロックＢ１０は、前記アクセル開度センサ１１６により検出されるアクセル開度ＡＰＳの今回値と、ブロックＢ１１から出力される前回値との差分を算出し、ブロックＢ１２は、該差分の正負に基づいて、減速時か否かを判定する（今回値−前回値＜０のとき減速時と判定）。
【００４７】
ブロックＢ１３は、前記ブロックＢ１０の判定結果に基づいて、非減速時は吸気上死点に設定された進角限界ＩＶＯＬadvを出力し、減速時は筒内負圧が所定値以上とならない角度に設定された遅角限界ＩＶＯＬrtdを出力する。すなわち、非減速時は減速時に比較して筒内負圧が大きくなりにくく、筒内負圧が所定値以上となる遅角限界が残留既燃ガス量で制限される進角限界ＩＶＯＬadvより遅角側にあるため、該進角限界ＩＶＯＬadvまで進角させて出力を確保するように、開弁時期のフェールセーフ制御量として進角限界ＩＶＯＬadvを選択する。一方、低出力乃至非出力（燃料カット）状態の減速時は残留既燃ガス量は問題にならずエンジンオイル上がりが問題となるので、減速時の遅角限界ＩＶＯＬrtdまで進角させるように遅角限界ＩＶＯＬrtdを選択する。
【００４８】
そして、一方の可変動弁機構の故障時は、他方の正常な可変動弁機構により、吸気バルブ１０５の開弁時期ＩＶＯを、上記のように設定された進角限界ＩＶＯＬadvまたは遅角限界ＩＶＯＬrtdに制御する。
【００４９】
まず、可変バルブタイミング機構２０１故障時における可変バルブリフト機構１１２のフェールセーフ制御量を設定するブロックについて説明する。
ブロックＢ１４は、ブロックＢ１５から出力された可変バルブタイミング機構２０１の停止状態での最遅角された吸気バルブ１０５の作動角中心（開時期と閉時期との中間のクランク角位置、例えば吸気上死点＝３６０°とした場合４７０°）ＶＴＣ０から、前記吸気側カム角センサ２０２により検出された進角制御量ＶＴＣＮＯＷを減算して、故障時に固着した可変バルブタイミング機構２０１における吸気バルブ１０５の実作動角中心（クランク角位置）ＮＧＶＴＣを算出する。
【００５０】
ブロックＢ１６は、前記可変バルブタイミング機構２０１故障時の実作動角中心ＮＧＶＴＣから、前記ブロックＢ１３からの進角限界ＩＶＯＬadvまたは遅角限界ＩＶＯＬrtd相当のクランク角位置を減算する。
【００５１】
上記ブロックＢ１６で算出されたクランク角度は、吸気バルブ１０５の作動角の１／２に相当するので、ブロックＢ１７で２倍のゲインを乗じて作動角を算出した後、ブロックＢ１８で作動角を可変バルブリフト量１１２の制御量（制御軸１６の回転角）に変換し、この制御量をフェールセーフ制御量ＦＳＶＥＬとして前記ブロックＢ２に出力する。
【００５２】
可変バルブタイミング機構２０１故障時は、既述のようにブロックＢ２が前記フェールセーフ制御量ＦＳＶＥＬを目標制御量ＴＧＶＥＬとして可変バルブリフト機構１１２に出力するので、吸気バルブ１０５の開弁時期ＩＶＯが、通常状態（非減速時）は上死点近傍の進角限界ＩＶＯＬadvとし、減速時は筒内負圧が所定値以上とならない遅角限界ＩＶＯＬrtdとするように作動角及びリフト量が制御される。
【００５３】
図１２は、可変バルブタイミング機構２０１故障時の可変バルブリフト機構１１２によるフェールセーフ制御の様子を示す。
例えば（Ａ）に示すように、通常状態（非減速時）に可変バルブタイミング機構２０１故障時における作動角中心ＮＧＶＴＣがａ，ｂのいずれであっても、ピストンと干渉しない範囲での開弁時期ＩＶＯの進角限界は吸気上死点ＩＴＤＣより進角側にあるが、この進角限界まで進角させると排気バルブとのオーバーラップによる残留既燃ガス量が増大して燃焼安定性が悪化し、実質的にフェールセーフ運転が困難になる。そこで、可変バルブリフト機構１１２によって、開弁時期ＩＶＯを進角限界ＩＶＯadvに制限して進角させるように吸気バルブ１０５の作動角を制御することにより、ピストンとの干渉を防止しつつ残留既燃ガス量を基準値以下に維持して燃焼安定性を良好に確保でき、フェールセーフ運転を行える。なお、進角限界ＩＶＯadvまで進角させることで、できるだけリフト量を大きくして出力を確保することができる。
【００５４】
一方（Ｂ）に示すように、減速時には吸気バルブ１０５の目標リフト量は小さめに設定されるが、可変バルブタイミング機構２０１故障時における作動角中心ＮＧＶＴＣが遅角側にあると開弁時期ＩＶＯが遅角になりすぎて筒内負圧が増大し、エンジンオイル上がりを招く可能性を生じる。そこで、可変バルブリフト機構１１２によって、開弁時期ＩＶＯを前記遅角限界ＩＶＯＬrtdまで強制的に進角させることにより、ピストンとの干渉を防止しつつ筒内負圧を所定値以下に留めてエンジンオイル上がりも確実に防止して、フェールセーフ運転を行うことができる。
【００５５】
次に、可変バルブリフト機構１１２故障時における可変バルブタイミング機構２０１のフェールセーフ制御量を設定するブロックについて説明する。
ブロックＢ１９は、前記回転角センサ１２７により検出された前記制御軸１６の実回転角ＲＥＶＥＬを吸気バルブ１０５の実作動角ＲＥＥＶＥＮＴに変換する。
【００５６】
ブロックＢ２０は、前記実作動角ＲＥＥＶＥＮＴにゲイン１／２を乗じて実作動角中心から実開弁時期までのクランク角度を算出する。
ブロックＢ２１は、前記算出値に前記ブロックＢ１３からの開弁時期ＩＶＯ（進角限界ＩＶＯＬavdまたは遅角限界ＩＶＯＬrtd）を加算して、目標開弁時期に対応する作動角中心の目標値（クランク角位置）を算出する。
【００５７】
ブロックＢ２２は、前記作動角中心の目標値から、前記ブロックＢ１５からの可変バルブタイミング機構２０１の停止状態での作動角中心ＶＴＣ０を減算し、負の値（進角量）として可変バルブタイミング機構２０１の制御量を算出し、この制御量をフェールセーフ制御量ＦＳＶＴＣとして前記ブロックＢ４に出力する。
【００５８】
可変バルブリフト機構１１２故障時は、既述のようにブロックＢ４が前記フェールセーフ制御量ＦＳＶＴＣを目標制御量ＴＧＶＴＣとして可変バルブタイミング機構２０１に出力するので、吸気バルブ１０５の開弁時期ＩＶＯが、通常状態（非減速時）は上死点近傍の進角限界ＩＶＯＬadvとし、減速時は筒内負圧が所定値以上とならない遅角限界ＩＶＯＬrtdとするようにバルブタイミングが制御される。
【００５９】
図１３は、可変バルブリフト機構１１２故障時の可変バルブタイミング機構２０１によるフェールセーフ制御の様子を示す。
例えば（Ａ）に示すように、通常状態（非減速時）に可変バルブリフト機構２０１故障時における作動角がａ，ｂのいずれであっても、ピストンと干渉しない範囲での開弁時期ＩＶＯの進角限界は吸気上死点ＩＴＤＣより進角側にあり、この進角限界まで進角させると排気バルブとのオーバーラップによる残留既燃ガス量が増大して燃焼安定性が悪化し、実質的にフェールセーフ運転が困難になる。そこで、可変バルブタイミング機構２０１によって、開弁時期ＩＶＯを進角限界ＩＶＯadvに制限して進角させるように吸気バルブ１０５のバルブタイミングを制御することにより、ピストンとの干渉を防止しつつ残留既燃ガス量を基準値以下に維持して燃焼安定性を良好に確保でき、フェールセーフ運転を行える。
【００６０】
一方（Ｂ）に示すように、減速時には可変バルブタイミング機構２０１故障時における作動角中心ＮＧＶＴＣが遅角側にあると開弁時期ＩＶＯが遅角になりすぎて筒内負圧が増大し、エンジンオイル上がりを招く可能性を生じる。そこで、可変バルブタイミング機構２０１によって、開弁時期ＩＶＯを前記遅角限界ＩＶＯＬrtdまで強制的に進角させるように吸気バルブ１０５のバルブタイミングを制御することにより、ピストンとの干渉を防止しつつ筒内負圧を所定値以下に留めてエンジンオイル上がりも確実に防止して、フェールセーフ運転を行うことができる。
【００６１】
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項２または請求項３に記載の可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置において、減速時の遅角限界は、非減速時の遅角限界より遅角側に設定することを特徴とする。
【００６２】
（ロ）請求項２または請求項３、（イ）のいずれか１つに記載の可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置において、いずれかの可変動弁機構が吸気バルブのリフト量を可変であり、他の可変動弁機構が故障して前記リフト量を可変な可変動弁機構で吸気バルブの作動特性を制御するときに、前記遅角限界を低リフト時には高リフト時より、遅角側に設定することを特徴とする。
【００６３】
このようにすれば、低リフト時は、高リフト時に比較して筒内負圧が増大しやすいので、遅角限界をより遅角側に設定することが、筒内負圧の増大を確実に抑制できる。
【００６４】
（ハ）請求項２または請求項３、（イ）、（ロ）のいずれか１つに記載の可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置において、遅角限界は減速時の筒内圧（絶対圧）が−６５０mmHg以下にならないように設定された値であることを特徴とする。
【００６５】
このようにすれば、筒内圧に基づいて設定した遅角限界によって、確実にエンジンオイル上がりを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可変動弁制御装置を備えた内燃機関のシステム構成図。
【図２】可変動弁機構を示す断面図（図３のＡ−Ａ断面図）。
【図３】上記可変動弁機構の側面図。
【図４】上記可変動弁機構の平面図。
【図５】上記可変動弁機構に使用される偏心カムを示す斜視図。
【図６】上記可変動弁機構の低リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。
【図７】上記可変動弁機構の高リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。
【図８】上記可変動弁機構における揺動カムの基端面とカム面に対応したバルブリフト特性図。
【図９】上記可変動弁機構のバルブタイミングとバルブリフトの特性図。
【図１０】上記可変動弁機構における制御軸の回転駆動機構を示す斜視図。
【図１１】実施形態における吸気バルブ制御のブロック図。
【図１２】同上実施形態における可変バルブタイミング機構故障時の可変バルブリフト機構による吸気バルブ制御の様子を示す図。
【図１３】同上実施形態における可変バルブリフト機構故障時の可変バルブタイミング機構による吸気バルブ制御の様子を示す図。
【符号の説明】
１３…カム軸 １５…偏心カム １６…制御軸 １７…制御カム１８…ロッカアーム ２０…揺動カム ２５…リンクアーム １０１…内燃機関 １０４…電子制御スロットル １０５…吸気バルブ １１２…可変バルブリフト機構 １１４…コントロールユニット １１５…エアフローメータ １１６…アクセル開度センサ １１７…クランク角センサ１１８…スロットルセンサ １２１…ＤＣサーボモータ（アクチュエータ） １２７…回転角センサ ２０１…可変バルブタイミング機構 ２０２…吸気側カム角センサ
Claims (4)
- 吸気バルブのリフト量を可変とする第１の可変動弁機構と、バルブタイミングを可変とする第２の可変動弁機構と、を備えた内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
各可変動弁機構の制御状態を検出する検出手段と、
各可変動弁機構の故障の有無を診断する診断手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記吸気バルブとピストンとの干渉が生じない進角限界より遅角側でかつ吸気上死点ないし、上死点より遅角側に、前記吸気バルブの開弁時期の進角方向の第１限界値を設定する制御限界値設定手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記診断手段で故障と判定された可変動弁機構の故障時の制御状態を前記検出手段で検出し、検出した該故障時の制御状態と前記第１限界値とに基づいて、前記正常側の可変動弁機構の制御目標値を設定する故障時目標値設定手段と、
前記故障時目標値設定手段により設定された故障時の制御目標値となるように前記正常側の可変動弁機構を制御することにより、残留既燃ガス量を基準値以下に維持するフェールセーフを実行するフェールセーフ制御手段と、
を備えたことを特徴とする可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置。 - 吸気バルブのリフト量を可変とする第１の可変動弁機構と、バルブタイミングを可変とする第２の可変動弁機構と、を備えた内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
各可変動弁機構の制御状態を検出する検出手段と、
各可変動弁機構の固着故障の有無を診断する診断手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記吸気バルブとピストンとの干渉が生じない進角限界より遅角側でかつ吸気上死点ないし、上死点より遅角側に、前記吸気バルブの開弁時期の進角方向の第１限界値を設定する制御限界値設定手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が固着故障していると判定したときに、前記診断手段で故障と判定された可変動弁機構の固着故障時の制御状態を前記検出手段で検出し、検出した該固着故障時の制御状態と前記第１限界値とに基づいて、前記正常側の可変動弁機構の制御目標値を設定する故障時目標値設定手段と、
前記故障時目標値設定手段により設定された故障時の制御目標値となるように前記正常側の可変動弁機構を制御することにより、残留既燃ガス量を基準値以下に維持するフェールセーフを実行するフェールセーフ制御手段と、
を備えたことを特徴とする可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置。 - 吸気バルブのリフト量を可変とする第１の可変動弁機構と、バルブタイミングを可変とする第２の可変動弁機構と、を備えた内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
各可変動弁機構の制御状態を検出する検出手段と、
各可変動弁機構の固着故障の有無を診断する診断手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が故障していると判定したときに、前記吸気バルブとピストンとの干渉が生じない進角限界より遅角側でかつ吸気上死点ないし、上死点より遅角側に、前記吸気バルブの開弁時期の進角方向の第１限界値を設定すると共に、前記吸気バルブの開弁時期の遅角方向の第２限界値を前記第１限界値より遅角側に設定する制御限界値設定手段と、
機関の減速状態を判定する減速判定手段と、
機関の非減速時に前記第１限界値を選択し、減速時に前記第２限界値を選択する選択手段と、
前記診断手段がいずれかの可変動弁機構が固着故障していると判定したときに、前記診断手段で故障と判定された可変動弁機構の固着故障時の制御状態を前記検出手段で検出し、検出した該固着故障時の制御状態と前記選択手段で選択された第１限界値または第２限界値とに基づいて、前記正常側の可変動弁機構の制御目標値を設定する故障時目標値設定手段と、
前記故障時目標値設定手段により設定された故障時の制御目標値となるように前記正常側の可変動弁機構を制御することにより、非減速時には前記第１限界値によって残留既燃ガス量を基準値以下に維持し、減速時には前記第２限界値によって筒内負圧を所定値未満に維持するフェールセーフを実行するフェールセーフ制御手段と、
を備えたことを特徴とする可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置。 - 第２限界値は減速時の筒内圧（絶対圧）が−６５０mmHg以下にならないように設定された値であることを特徴とする請求項３に記載の可変動弁機構付き内燃機関のフェールセーフ制御装置。
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