JP4695658B2 - 可変バルブタイミング装置の診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの可変バルブタイミング装置における異常診断装置に関し、特に異常診断の実行条件を規定する技術に関する。

特許文献１には、電磁ブレーキによる摩擦制動によりクランク軸に対するカム軸の回転遅延を制御することで、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させる構成のエンジンの可変バルブタイミング装置が記載されている。
前記可変バルブタイミング装置においては、例えば、目標の回転位相（目標の遅延角）とエンジン回転速度とから電磁ブレーキの基本制御量を演算する一方、目標の回転位相と実際の回転位相との偏差からフィードバック制御量を演算し、前記基本制御量及びフィードバック制御量から最終的な制御量（例えばデューティ制御量）を求めて、該制御量で電磁ブレーキを構成する電磁コイルに流れる電流を制御するようにしていた。

エンジンの可変バルブタイミング装置としては、上記の他油圧式のものが一般的である。
かかる可変バルブタイミング装置（ＶＴＣ）の異常診断を行う条件として、特許文献２には、前記クランク軸に対するカム軸の回転位相の目標値（以下目標角度という）が、所定時間以上一定に維持されることを条件とすることが記載されている。
特開平１０−１５３１０４号公報 特開２０００−５４８７０号公報。

上記可変バルブタイミング装置（ＶＴＣ）では、目標角度毎のエンジン運転領域が比較的大きく設定されていたため、前記異常診断条件が成立する機会を確保することができていたが、特に、前記電磁ブレーキ式の装置では、目標角度が小さい運転領域毎に細かく設定されていたため、診断条件が成立する機会を十分確保することが難しく、診断を完了することができなくなる可能性が高い。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、目標角度が細かく設定されている場合でも、異常診断条件が成立する機会を確保でき、診断を完了できるようにした可変バルブタイミング装置の診断装置を提供することを目的とする。

そのため請求項１記載の発明は、クランク軸に対する回転位相を変化させる構成のエンジンの可変バルブタイミング制御装置において、以下の各手段を備えて構成される。
ａ）機関運転状態に応じて前記回転位相の目標値を算出する手段
ｂ）前記可変バルブタイミング装置で制御された前記回転位相の実際値を検出する手段
ｃ）算出された前記回転位相の目標値と、前記回転位相の実際値と、に基づいて、前記可変バルブタイミング装置の異常を診断する異常診断手段
ｄ）前記異常診断時の目標値の変化を許容するリミット値を設定するリミット値設定手段
ｅ）前記回転位相の目標値の変化量が前記所定のリミット値を超えるときは、前記異常診断手段による診断を禁止し、前記回転位相の目標値の変化量が前記所定のリミット以下に維持されたときに前記可変バルブタイミング装置の異常診断の実行を許可する診断許否手段
請求項１に係る発明によると、
機関運転状態に応じて回転位相の目標値を算出しつつ、該目標値の変化状態をリミット値に基づいて判定しながら、異常診断手段による診断の許否を判定する。

診断が許可されたときは、回転位相の目標値と検出された実際値とに基づいて診断を実行するが、目標値の変化状態が所定のリミット値を超える変化を示しているときは、診断を禁止する。
このようにすれば、回転位相の目標値の変化状態がリミット値を超えたときに診断を禁止する構成であるため、回転位相の目標値（目標角度）が細かく設定されていて、運転状態がわずかに変化しただけで、目標値が変化したような場合には、診断が許可される。

これにより、十分な診断機会を確保でき、診断を完了することができる。
また、請求項２に係る発明は、
前記診断許否手段は、前記回転位相の目標値の変化状態が前記所定のリミット値以下の状態で所定時間継続したときに、前記異常診断手段による診断を許可し、
前記回転位相の目標値の変化量が、前記所定リミット値以下であってもその状態が所定時間継続しなかったときには前記異常診断手段による診断を禁止する。

請求項２に係る発明によると、
目標値の変化状態が所定のリミット値以下である状態が所定時間継続したときに診断を許可し、回転位相の目標値の変化量が、前記所定リミット値以下であってもその状態が所定時間継続しなかったときには診断を禁止する構成としたため、より、安定した状態で診断を実行することができ、診断機会を増やしつつ診断精度を確保できる。

請求項３に係る発明によると、
診断を精度よく行うことができる条件は、可変バルブタイミング装置の動作特性に影響を与えるエンジン温度によって変化するので、該エンジン温度に基づいて、診断許可条件を判定する所定のリミット値又は所定時間の少なくとも一方を可変に設定することにより、診断精度を高めることができる。

また、請求項４に係る発明は、
前記所定のリミット値又は所定時間の少なくとも一方を、エンジン回転速度に応じて可変に設定する構成とした。
請求項４に係る発明によると、
エンジン温度と同様、エンジン回転速度も可変バルブタイミング装置の動作特性に影響を与えるので、該エンジン回転速度に基づいて、診断許可条件を判定する所定のリミット値又は所定時間の少なくとも一方を可変に設定することにより、診断精度を高めることができる。

また、請求項５に係る発明は、
前記異常診断に影響を及ぼすエンジン運転状態および環境状態のパラメータ値が、所定範囲内にあることを、前記可変バルブタイミング装置の異常診断条件として含む構成とした。
請求項５に係る発明によると、
エンジン回転速度、エンジン温度、バッテリ電圧など診断に影響を及ぼすエンジン運転状態および環境状態が、所定条件を満たしていることを、可変バルブタイミング装置の異常診断条件として含むことにより、診断精度を確保することができる。

また、請求項６に係る発明は、
前記診断禁止手段は、前記目標値が、ストッパにより規制される基準値でないことを、診断条件として含む構成とした。
請求項６に係る発明によると、
目標値がストッパにより規制される基準値であるときは、実質的に通電や油圧などの制御が行われていない状態であるから、診断が行えないので、診断条件から除外することで診断精度を確保することができる。

また、請求項７に係る発明は、
前記異常診断手段が、前記回転位相の目標値と実際値との偏差が所定範囲から外れた状態が所定時間以上継続したときに異常があると診断する構成とした。
請求項７に係る発明によると、
診断方式の１例として、上記偏差が所定範囲から外れた状態が所定時間以上継続したときは、目標値への収束の遅れが大きいので異常と診断することができる。

また、請求項８に係る発明は、
前記可変バルブタイミング装置が、電磁ブレーキによりクランク軸に対する回転位相を変化させる構成であることを特徴とする。
請求項８に係る発明によると、
本発明は目標値が細かく設定されているものであれば、油圧式の可変バルブタイミング制御装置に適用しても効果が得られるが、特に電磁ブレーキ式のものは、現状でも目標値が細かく設定されているので、有効である。

また、請求項９に係る発明は、
前記可変バルブタイミング装置が、油圧式であることを特徴とする。
請求項９に係る発明によると、
上記のように、本発明は目標値が細かく設定されているものであれば、油圧式の可変バルブタイミング制御装置に適用しても効果が得られる

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施の形態における電磁ブレーキを用いる可変バルブタイミング装置の断面図であり、図２は、分解斜視図である。
図１及び図２に示す可変バルブタイミング装置１において、シリンダヘッド１２０に対して回転可能に支持されるカム軸１１０の端部１１１の軸周に回転可能にプーリ（又はスプロケット）２が支承される。プーリ２はカム軸１１０に対して相対回転可能に支承され、エンジンのクランク軸の回転に連動して回転する。

カム軸１１０の端部１１１の延長線上には、軸周にギアが形成される伝達部材３がボルト３１により固定され、プーリ２の回転が、以下に説明する伝達機構を介して伝達部材３に伝えられる。
カム軸１１０と同軸に、フランジを有する筒状のドラム４１が設けられ、このドラム４１とプーリ２との間には、ドラム４１の回転位相を進ませる方向に付勢するコイルばね４２が介装されている。即ち、プーリ２にはケース部材４４が固定され、コイルばね４２の外周側端部は、このケース部材４４の内周面部分に固定され、コイルばね４２の内周側端部は、ドラム４１の外周面に固定されている。

また、伝達部材３の軸周に形成されたギア３２と、筒状のピストン部材４３の内周に形成されたギア４３３とが、はすばギアによるヘリカル機構により噛み合っている。
ピストン部材４３の外周面の対向する２箇所に、係合部４３１，４３１が突出形成されていて、プーリ２の回転中心部分からカム軸１１０の軸方向に延出している爪部材２１，２１の間に前記係合部４３１，４３１が係合している。この係合によりピストン部材４３とプーリ２とは同位相で回転する。

ピストン部材４３の前記係合部４３１，４３１には、ピストン部材４３の軸を中心とする雄ねじ４３２が各々形成され、ドラム４１の内周面には雌ねじ４１１が形成されていて、この両者はねじ作用により噛み合っている。
ドラム軸受部材４５は、伝達部材３の外周とドラム４１の内周との間に介装され、この両者の相対回転を軸受する。このドラム軸受部材４５とドラム４１の内周面との間には、爪受部材７ａが介装されている。

この爪受部材７ａはドラム４１の内周面に支持され、爪部材２１，２１の先端部の外周面側に形成されている段部２２，２２に当接して、カム軸１１０の径方向に爪部材２１，２１を係止している。
被吸引部材４６は、その回転中心部分に内歯の平ギヤ４６１が形成され、このギヤ４６１には、伝達部材３の先端部に形成されている平ギヤ３３に噛み合っている。これにより、被吸引部材４６は伝達部材３に対し、その軸方向に摺動可能に構成されると共に、被吸引部材４６と伝達部材３とは同位相で回転する。

ドラム４１のフランジ部分４１２の側面にはギア４１３が形成され、被吸引部材４６の一方の面４６２に形成されているギア４６３と対峙していて、この両ギアは噛み合うことで、ドラム４１と被吸引部材４６とが回転方向に係合するようにしてある。
第１の電磁ソレノイド５ｂと第２の電磁ソレノイド５ａは、カム軸１１０の軸芯線を囲むように、カム軸１１０の端部１１１に固定されている伝達部材３や、この伝達部材３を固定しているボルト３１の外周面を囲むように軸受部材６を介して配置されている。

すなわち、スペーサ部材４７が、ボルト３１の頭部３１１と伝達部材３の先端部との間に嵌合固定されていて、このスペーサ部材４７の外周側には、第２の電磁ソレノイド５ａがスペーサ部材４７との間に軸受部材６を介して配置されている。さらに第２の電磁ソレノイド５ａと被吸引部材４６の外周側には、電磁ブレーキを構成する第１の電磁ソレノイド５ｂが配置されている。第２の電磁ソレノイド５ａはボルト５１ａにより、ケース８に固定されている。

次に作用について説明する。
カム軸１１０の回転位相を進角側に変更するためには、第１の電磁ソレノイド５ｂが発生する磁界によりピストン部材４３をカム軸１１０の軸方向に移動することにより行う。
すなわち、まず、第２の電磁ソレノイド５ａの発生磁界により、被吸引部材４６が吸引されて、被吸引部材４６のギア４６３と、ドラム４１のギア４１３とが離れ、ドラム４１がプーリ２に対して相対的に回転できるようにする。

そして、第１の電磁ソレノイド５ｂの発生磁界により、ドラム４１を吸引することで、ドラム４１を第１の電磁ソレノイド５ｂの端面に押し付けて、摩擦制動を作用させる。これにより、ドラム４１はコイルばね４２の付勢力に抗してプーリ２に対して回転遅れを生じて相対回転し、ねじ４１１とねじ４３２とで噛み合っているピストン部材４３はカム軸１１０の軸方向に移動する。ピストン部材４３と伝達部材３とは前記のヘリカル機構により噛み合っているので、ピストン部材４３の移動により、伝達部材３引いてはカム軸１１０の回転位相がプーリ２に対して進角側に変わることになる。従って、第１の電磁ソレノイド５ｂへの電流値を増大させ、コイルばね４２の付勢力に抗する制動力（滑り摩擦）を増大させるほど、カム軸１１０の回転位相が進角側に変更されることになる。

上記のように、電磁ブレーキによる制動力に応じて決まるドラム４１の回転遅れ量によってカム軸１１０の回転位相がプーリ２（クランク軸）に対して変わるものであり、前記電磁ブレーキによる制動力は、第１の電磁ソレノイド５ｂに供給される電流値をデューティ制御することで制御されるようになっており、前記デューティ比を変化させることで、回転位相の変化量（進角量）を連続的に制御できる。尚、電磁ブレーキの制御量に相当するデューティ値（％）の増大に応じて、前記第１の電磁ソレノイド５ｂに供給される電流値が増大するものとする。

図３は、上記構成の可変バルブタイミング装置の制御系を示すブロック図であり、前記第１の電磁ソレノイド５ｂ及び第２の電磁ソレノイド５ａへの通電を制御する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５１１には、エンジンの吸入空気量を検出するエアフローメータ５１２、クランク回転を検出するクランク角センサ５１３、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ５１４、外気温度を検出する外気温度センサ５１５、カム回転を検出するカムセンサ５１６等からの検出信号が入力される。

そして、前記コントロールユニット５１１は、第１の電磁ソレノイド５ｂの通電をデューティ制御してカム軸１１０の回転位相を変化させ、目標回転位相に一致すると、第２の電磁ソレノイド５ａへの通電を遮断することで、被吸引部材４６のギア４６３と、ドラム４１のギア４１３とを噛み合わせ、ドラム４１をプーリ２に対してそのときの位相状態で固定し、第１の電磁ソレノイド５ｂへの通電を遮断する。

上記のように制御される可変バルブタイミング装置の異常診断が以下のように実行される。
図４、図５は、異常診断実行許可条件の成否を判別する本発明に係るルーチンのフローチャートである。
図において、ステップ１では、前記各センサにより検出される各種運転条件を読み込む。

ステップ２では、エンジン回転速度Neが所定範囲にあるか（NeL≦Ne≦NeH）を判定し、所定範囲にあるときは、ステップ３へ進む。
ステップ３では、エンジン冷却水温度（水温）Twが所定範囲にあるか（TwL≦Tw≦TwH）を判定し、所定範囲にあるときは、ステップ４へ進む。
ステップ４では、バッテリ電圧VBが所定範囲にあるか（VBL≦VB≦VBH）を判定し、所定範囲にあるときは、ステップ５へ進む。

ステップ５では、前記カムセンサ５１６の信号の断線、ショート診断における診断結果がＯＫであるかを判定し、ＯＫのときはステップ６へ進む。
ステップ６では、上記可変バルブタイミング装置における回転位相の目標値である目標角度ＶＴＣＴＲＧが、ストッパによって規制される基準位置、具体的には０（最大遅角位置）でないか否かを判定し、基準位置でないときは、ステップ８へ進む。

ステップ７では、前記目標角度ＶＴＣＴＲＧの変化率ＴＲＧＣＨＧを次式のように算出する。
ＴＲＧＣＨＧ＝|ＶＴＣＴＲＧ−ＶＴＣＴＲＧｚ｜
ＶＴＣＴＲＧｚ：１０ｍｓ前の目標角度ＶＴＣＴＲＧ
ステップ８では、水温Ｔｗとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて、回転位相目標値の変化状態である目標角度変化率ＴＲＧＣＨＧの、診断許可条件のしきい値となる所定のリミット値ＶＴＲＬＩＭを設定する。

ステップ９では、前記ステップ７で算出された目標角度ＶＴＣＴＲＧの変化率ＴＲＧＣＨＧの絶対値が、前記リミット値ＶＴＲＬＩＭ以下であるかを判定し、リミット値ＶＴＲＬＩＭ以下のときは、ステップ１０へ進んで、タイマをカウントアップする。このステップＳ９の機能が、目標値変化判定手段ｄを構成する。
ステップ１１では、前記タイマカウント値が、所定値ＣＬＥＲＴＩＭに達したかを判定する。

そして、タイマカウント値が、所定値ＣＬＥＲＴＩＭに達するまでは、ステップ１３で異常診断の実行を不許可とし、所定値ＣＬＥＲＴＩＭに達したとき、つまり、所定時間以上目標角度ＶＴＣＴＲＧの変化率ＴＲＧＣＨＧの絶対値が、前記リミット値ＶＴＲＬＩＭ以下に維持されたときは、ステップ１２へ進んで、異常診断の実行を許可する。これらステップ１１〜ステップＳ１３の機能が、診断禁止手段ｅを構成する。

このようにすれば、目標角度が細かく設定され、運転状態のわずかな変化で目標角度が変化した場合でも、目標角度の変化率が所定時間以上、所定値以下に維持されていれば、診断が許可され診断機会を確保できる。
上記診断許可条件が成立したときは、異常診断を実行する。
図６は、異常診断ルーチン（異常診断手段ｃ）のフローチャートである。

図において、ステップ２１では、エンジン回転速度Ｎｅと負荷の代表値である基本燃料噴射量Ｔｐとに基づいて設定される目標角度ＶＴＣＴＲＧを読み込む。ここで、エンジン回転速度Ｎｅと基本燃料噴射量Ｔｐとに基づいて目標角度ＶＴＣＴＲＧを設定する機能が、回転位相の目標値を算出する手段ａを構成する。
ステップ２２では、前記カムセンサ５１６の信号に基づいて、実角度（カム軸の実際の回転位相）ＶＴＣＮＯＷを読み込む。カムセンサ５１６およびこのステップ２２の機能が回転位相の実際値を検出する手段ｂを構成する。

ステップ２３では、目標角度ＶＴＣＴＧＲと実角度ＶＴＣＮＯＷとの偏差ＥＲＲＯＲ（エラー量）を次式のように算出する。
ＶＴＣＴＧＲ−ＶＴＣＮＯＷ
ステップ２４では、前記偏差ＥＲＲＯＲが所定範囲内（ＯＦＡＧＢ≦ＥＲＲＯＲ≦ＯＦＡＧＦ）にあるか否かを判定する。

偏差ＥＲＲＯＲが所定範囲内にあるときは、ステップ２５で診断結果をＯＫとするが、所定範囲から外れたときはステップ２６でタイマをカウントアップし、ステップ２７で該カウント値が所定値ＣＮＧＤＬＹに達したかを判定する。
そして、カウント値が所定値ＣＮＧＤＬＹに達したとき、つまり、偏差ＥＲＲＯＲが所定範囲から外れた状態が、所定時間以上となったときは、ステップ２８へ進んで診断結果をＮＧ（異常あり）とする。

なお、電磁ブレーキ式の可変バルブタイミング制御装置として、上記のような第２の電磁ソレノイドによるロック機構を備えず、常時電磁ブレーキを通電してデューティ制御する構成のものもあり、本発明は、かかる構成のものにも適用できる。また、油圧式の可変バルブタイミング制御装置にも適用できる。

実施の形態における可変バルブタイミング装置の断面図。 実施の形態における可変バルブタイミング装置の分解斜視図。 実施の形態における可変バルブタイミング装置のブロック図。 実施の形態における異常診断実行許可条件の成否を判別する本発明に係るルーチンの前段を示すフローチャート。 実施の形態における異常診断実行許可条件の成否を判別する本発明に係るルーチンの後段を示すフローチャート。 実施の形態における異常診断ルーチンのフローチャート。

符号の説明

１…可変バルブタイミング装置
２…プーリ
３…伝達部材
５ａ…第２の電磁ソレノイド
５ｂ…第１の電磁ソレノイド
４１…ドラム
４２…コイルバネ
４３…ピストン部材
４６…被吸引部材
１１０…カム軸
１２０…シリンダヘッド
５１１…コントロールユニット
５１２…エアフローメータ
５１３…クランク角センサ
５１４…水温センサ
５１６…カムセンサ

Claims (9)

1. クランク軸に対する回転位相を変化させる構成のエンジンの可変バルブタイミング制御装置において、
   機関運転状態に応じて前記回転位相の目標値を算出する手段と、
   前記可変バルブタイミング装置で制御された前記回転位相の実際値を検出する手段と、
   算出された前記回転位相の目標値と、前記回転位相の実際値と、に基づいて、前記可変バルブタイミング装置の異常を診断する異常診断手段と、
   前記異常診断時の目標値の変化を許容するリミット値を設定するリミット値設定手段と、
   前記回転位相の目標値の変化量が前記所定のリミット値を超えるときは、前記異常診断手段による診断を禁止し、
   前記回転位相の目標値の変化量が前記所定のリミット以下に維持されたときに前記可変バルブタイミング装置の異常診断の実行を許可する診断許否手段と、
   を備えたことを特徴とする可変バルブタイミング装置の診断装置。
2. 前記診断許否手段は、前記回転位相の目標値の変化状態が前記所定のリミット値以下の状態で所定時間継続したときに、前記異常診断手段による診断を許可し、
   前記回転位相の目標値の変化量が、前記所定リミット値以下であってもその状態が所定時間継続しなかったときには前記異常診断手段による診断を禁止することを特徴とする請求項１に記載の可変バルブタイミング装置の診断装置。
3. 前記所定のリミット値又は所定時間の少なくとも一方が、エンジン温度に応じて可変に設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可変バルブタイミング装置の診断装置。
4. 前記所定のリミット値又は所定時間の少なくとも一方が、エンジン回転速度に応じて可変に設定されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング装置の診断装置。
5. 前記異常診断に影響を及ぼすエンジン運転状態および環境状態のパラメータ値が、所定範囲内にあることを、前記可変バルブタイミング装置の異常診断条件として含むことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング装置の診断装置。
6. 前記診断許否手段は、前記目標値が、ストッパにより規制される基準値でないことを、診断条件として含むことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング装置の診断装置。
7. 前記異常診断手段は、前記回転位相の目標値と実際値との偏差が所定範囲から外れた状態が所定時間以上継続したときに異常があると診断することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング装置の診断装置。
8. 前記可変バルブタイミング装置が、電磁ブレーキによりクランク軸に対する回転位相を変化させる構成であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング装置の診断装置。
9. 前記可変バルブタイミング装置が、油圧式であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング装置の診断装置。

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