JP6867259B2 - 可変バルブタイミング機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）の制御装置に関する。

特許文献１に記載のＶＴＣの制御装置は、クランクシャフトに設けられたクランク角センサと、吸気カムシャフトに設けられたカム角センサと、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変更する電動モータに設けられたモータ回転センサと、を備えている。カム角センサは、例えば、直列４気筒の４サイクルエンジンにおける気筒判別信号を出力すべく、シグナルプレートに対して吸気カムシャフトの回転角度で９０度ごとに（クランクシャフトの回転角度で１８０度ごとに）設けられた突起部を有する。

そして、このＶＴＣの制御装置では、吸気カムシャフトが９０度回転するたびに出力される気筒判別信号を契機として、クランク角センサ及びカム角センサの出力から求められる回転位相の変化量と、モータ回転センサの出力から求められる回転位相の変化量との差分の絶対値が異常判定用の閾値以上のときにモータ回転センサに異常が発生したと判定する診断処理を実行している。

特開２０１６−１６０８４０号公報

しかしながら、突起部の製造バラツキなどのため、気筒判別信号の出力間隔は一定ではない。そのため、気筒判別信号が出力されるごとに求められる回転位相には、許容公差に起因する誤差に加え、気筒判別信号の出力間隔に起因する誤差が含まれており、差分と比較される異常判定用の閾値を、例えば、誤診断が行われないように大きく設定する必要があり、モータ回転センサの異常検出精度の向上が困難であった。

そこで、本発明は、モータ回転センサの異常検出精度を向上させることのできる可変バルブタイミング機構の制御装置を提供することを目的とする。

そこで、エンジンのクランクシャフトの回転角度を検出するクランク角センサの出力と、カムシャフトの回転角度を検出するカム角センサの出力と、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変更する電動モータの出力軸の回転角度を検出するモータ回転センサの出力と、を用いてバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構の制御装置は、カムシャフトが１回転するごとにカム角センサにより所定の回転角度が検出されたことを契機として、クランク角センサ及びカム角センサの出力から求められるクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相の第１の変化量と、モータ回転センサの出力から求められるクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相の第２の変化量と、を比較してモータ回転センサの異常の有無を判定するように構成されている。

可変バルブタイミング機構の制御装置によれば、モータ回転センサの異常検出精度を向上させることができる。

車両用エンジンの一例を示すシステム構成図である。 吸気カムシャフトの一例を示す図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 クランク角センサ及びカム角センサの出力特性の一例を示すタイムチャートである。 モータ回転センサの一例を示す図である。 モータ回転センサの出力信号の一例を示す波形図である。 モータ回転センサの出力信号の一例を示す波形図である。 電子制御装置が制御するバルブタイミングの一例を示す図である。 電子制御装置が制御するバルブタイミングの一例を示す図である。 カム角センサの突起部の製造バラツキを説明するための図である。 突起部の製造バラツキと回転位相との関係を説明するための図である。 電子制御装置が実行する回転位相の更新処理の一例を示すフローチャートである。 電子制御装置が実行する診断処理の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しつつ本発明を実施するための実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るＶＴＣの制御装置が適用される、車両用エンジンの一例を示すシステム構成図である。図２は、ＶＴＣの吸気カムシャフトの一例を示す図である。

ＶＴＣの制御装置は、例えば、直列４気筒の４サイクル機関である内燃機関（エンジン）１に設けられている。エンジン１のクランクシャフト１０からの動力は、タイミングチェーン（又はベルト）１２を介して、吸気バルブ（図示省略）開閉用の吸気カムシャフト２０と排気バルブ（図示省略）開閉用の排気カムシャフト２２とに伝達されるようになっている。

また、ＶＴＣの制御装置は、クランク角センサ３０の出力と、カム角センサ４０の出力と、モータ回転センサ５０の出力とを用いて吸気バルブのバルブタイミングを変更する。

クランク角センサ３０は、クランクシャフト１０に設けられ、クランクシャフト１０が所定回転角度回転するごとにクランク角信号ＰＯＳを出力する。
カム角センサ４０は、吸気カムシャフト２０の一端に設けられ、吸気カムシャフト２０が所定回転角度回転するごとに気筒判別信号としてのカム信号ＰＨＡＳＥを出力する。

モータ回転センサ５０は、吸気カムシャフト２０の他端に設けられた電動モータ７０に設けられ、電動モータ７０の出力軸であるモータシャフトが所定回転角度回転するごとにモータシャフト回転角信号ＭＡＳを出力する。

電動モータ７０は、クランクシャフト１０に対する吸気カムシャフト２０の回転位相、すなわち、吸気バルブのバルブタイミングを変更する電動ＶＴＣ８０の一部を構成している。このような電動モータ７０としては、例えば、図示省略の減速機が内蔵されたブラシ付きのＤＣモータが用いられる。

電動ＶＴＣ８０は、図２のＡ−Ａ線断面図である図３に示すように、タイミングチェーン１２が巻き回されるタイミングスプロケット８２と一体化され、電動モータ７０によってタイミングスプロケット８２に対して吸気カムシャフト２０を相対回転させることにより、吸気バルブのバルブタイミングを進角又は遅角させることができるようになっている。なお、電動ＶＴＣ８０は、吸気バルブに限らず、吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方に備え付けられていればよい。

より詳細には、タイミングスプロケット８２は、内周面が段差形状の円環状のスプロケット本体８２Ａと、このスプロケット本体８２Ａの外周に一体に設けられ、巻き回されたタイミングチェーン１２を介してクランクシャフト１０からの回転力を受けるギア部８２Ｂと、を備えている。また、タイミングスプロケット８２は、スプロケット本体８２Ａの内周面と吸気カムシャフト２０の外周面との間に配置されたボールベアリング（図示省略）によって吸気カムシャフト２０に対して相対回転可能に支持されている。

スプロケット本体８２Ａの内周面の一部には、円弧上の係合部であるストッパ凸部８２Ａ１が周方向に沿って所定長さ範囲まで形成されている。吸気カムシャフト２０の外周面には、ストッパ凸部８２Ａ１が当接するストッパ凹溝２０Ａが円周方向に沿って形成されている。このストッパ凹溝２０Ａは、円周方向へ所定長さを有する円弧状に形成されている。そして、この長さ範囲で回転したストッパ凸部８２Ａ１の両端縁８２Ａ２のそれぞれがストッパ凹溝２０Ａの対向縁２０Ｂに当接することによって、タイミングスプロケット８２に対する吸気カムシャフト２０の相対回転位置が最大進角側と最大遅角側との間で規制されるようになっている。

また、クランク角センサ３０、カム角センサ４０、モータ回転センサ５０、電動モータ７０には、電子制御装置６０が電気的に接続されている。電子制御装置６０は、各種の制御プログラムを実行する処理装置であるＣＰＵ６０Ａと、制御プログラムなどが格納されるＲＯＭ（Read Only Memory）６０Ｂと、一時的な記憶領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）６０Ｃと、入出力回路６０Ｄと、これらを相互に接続するバス６０Ｅと、を備えている。

電子制御装置６０のＣＰＵ６０Ａは、入出力回路６０Ｄを介して各種センサ３０、４０、５０の検出信号を入力すると共に制御プログラムに従って制御処理を実行するようになっている。また、電子制御装置６０は、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号やスタータスイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号を入力する他、例えば、吸気流量、水温、及び回転速度を検出する図示省略の各種センサの検出信号を入力して、燃料噴射弁（図示省略）、点火プラグ（図示省略）及び電動ＶＴＣ８０（電動モータ７０）を制御する。したがって、電子制御装置６０が、ＶＴＣの制御装置の一例として挙げられる。
なお、電動ＶＴＣ８０の制御は、電子制御装置６０とは異なる別体の電子制御装置で行うようにしてもよい。その際、別途設けられた電子制御装置は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの車載ネットワークを介して、電子制御装置６０から各種信号を入力してもよい。

以下、電動ＶＴＣ８０の作動について説明する。まず、クランクシャフト１０が回転駆動するとタイミングチェーン１２を介してタイミングスプロケット８２が回転することで、電動モータ７０が同期回転する。すなわち、電動モータ７０は、ステータを内蔵したモータ本体がタイミングスプロケット８２と一体に回転するようになっている。また、タイミングスプロケット８２の回転力は、吸気カムシャフト２０に伝達される。これにより、吸気カムシャフト２０のカムが吸気バルブを開閉作動させる。

そして、エンジン始動後の所定の運転時においては、電子制御装置６０からの所定の信号が電動モータ７０に出力され、電動モータ７０のモータシャフトが回転駆動される。その後、モータシャフトの回転力が減速機を介して減速されて吸気カムシャフト２０に伝達される。これにより、吸気カムシャフト２０がタイミングスプロケット８２に対して相対回転して回転位相が変更されることで、吸気バルブのバルブタイミングが進角側又は遅角側に変更制御されるようになっている。

次に、クランク角センサ３０、カム角センサ４０及びモータ回転センサ５０の構造及び出力特性について、図２、４、５、６を参照して説明する。
クランク角センサ３０は、例えば、クランクシャフト１０に支持されるシグナルプレート３２と、シグナルプレート３２の周囲に被検知部として設けられた複数の突起部３４と、突起部３４を検知してクランク角信号ＰＯＳを出力する第１の検知部３６と、を備えている。

突起部３４は、例えば、クランクシャフト１０の回転中心を挟んで対向する２箇所に連続して２つ欠落させている部分を除いて、クランク角で１０度のピッチで等間隔に形成されている。ただし、突起部３４は、連続して２つ欠落させて設けられることに限らず、例えば、１つ又は連続して３つ欠落させて設けられてもよい。

第１の検知部３６は、波形発生回路、選択回路などを含む各種の処理回路を、突起部３４を検知するピックアップと共に備えている。第１の検知部３６が出力するクランク角信号ＰＯＳは、図４に示すように、突起部３４を検知したときにローレベルから一定時間ハイレベルに変化するパルス列からなるパルス信号である。

クランク角信号ＰＯＳは、クランク角で１０度ごとに１６回連続してハイレベルに変化した後、３０度の間ローレベルを保持し、その後、再度１６回連続してハイレベルに変化する。そして、クランク角３０度であるローレベル期間（歯抜け領域又は欠落部分）後の最初のクランク角信号（以下、「基準位置」という）は、クランク角１８０度の間隔で出力される。このクランク角１８０度は、４気筒機関における気筒間の行程位相差、すなわち、点火間隔に相当する。

電子制御装置６０は、基準位置からクランク角信号ＰＯＳの発生数をカウントすることによりクランクシャフト１０の回転角度を算出できるようになっている。したがって、クランク角センサ３０は、クランクシャフト１０の回転角度を検出する。

カム角センサ４０は、例えば、吸気カムシャフト２０の一端に支持されるシグナルプレート４２と、シグナルプレート４２の周囲に被検知部として設けられた複数の突起部４４と、突起部４４を検知してカム信号ＰＨＡＳＥを出力する第２の検知部４６と、を備えている。

突起部４４は、例えば、カム角で９０度ごとの４箇所それぞれに、１個、３個、４個、２個ずつ設けられている。複数の突起部４４が連続して設けられた部分では、突起部４４のピッチは、クランク角で３０度（カム角で１５度）に設定されている。

第２の検知部４６は、波形成形回路などを含む各種の処理回路を、突起部４４を検知するピックアップと共に備えている。第２の検知部４６が出力するカム信号ＰＨＡＳＥは、図４に示すように、突起部４４を検知したときにローレベルから一定時間だけハイレベルに変化するパルス列からなるパルス信号である。

カム信号ＰＨＡＳＥは、カム角で９０度ごと、クランク角で１８０度ごとに、１個単独、３個連続、４個連続、２個連続でハイレベルに変化する。すなわち、１個単独のカム信号、及び、複数連続して出力されるカム信号の先頭の信号は、カム角で９０度（クランク角で１８０度）の間隔で出力されようになっている。

電子制御装置６０は、１個単独、３個連続、４個連続、２個連続でハイレベルに変化するカム信号ＰＨＡＳＥを入力することで吸気カムシャフト２０の回転角度を算出することができるようになっている。したがって、カム角センサ４０は、吸気カムシャフト２０の回転角度を検出する。

また、１個単独、３個連続、４個連続、２個連続のカム信号ＰＨＡＳＥは、ある気筒の圧縮上死点ＴＤＣと次の気筒の圧縮上死点ＴＤＣとの間でそれぞれ出力されるようになっている。なお、カム信号ＰＨＡＳＥの出力位置及び出力間隔は、電動ＶＴＣ８０によって吸気バルブのバルブタイミングを変更した場合に、カム信号ＰＨＡＳＥの出力位置が圧縮上死点ＴＤＣを横切って変化することがないようにバルブタイミングの変更範囲を考慮して設定されている。

より詳細には、第１気筒の圧縮上死点ＴＤＣと第３気筒の圧縮上死点ＴＤＣとの間では、カム信号ＰＨＡＳＥは３個連続で出力され、第３気筒の圧縮上死点ＴＤＣと第４気筒の圧縮上死点ＴＤＣとの間では、カム信号ＰＨＡＳＥは４個連続で出力され、第４気筒の圧縮上死点ＴＤＣと第２気筒の圧縮上死点ＴＤＣとの間では、カム信号ＰＨＡＳＥは２個連続で出力され、第２気筒の圧縮上死点ＴＤＣと第１気筒の圧縮上死点ＴＤＣとの間では、カム信号ＰＨＡＳＥは１個単独で出力される。

各圧縮上死点ＴＤＣの間で出力するカム信号ＰＨＡＳＥの連続出力数は、次に圧縮上死点となる気筒番号を示す。例えば、今回の圧縮上死点ＴＤＣと前回の圧縮上死点ＴＤＣとの間で、カム信号ＰＨＡＳＥが３個連続して出力された場合には、今回の圧縮上死点ＴＤＣは、第３気筒の圧縮上死点ＴＤＣであることを示す。

４気筒機関であるエンジン１では、点火を第１気筒（＃１ｃｙｌ）→第３気筒（＃３ｃｙｌ）→第４気筒（＃４ｃｙｌ）→第２気筒（＃２ｃｙｌ）の順で行うので、圧縮上死点ＴＤＣ間で出力されるカム信号ＰＨＡＳＥの出力パターンは、図４に示すように、１個単独、３個連続、４個連続、２個連続の順に設定されている。以下、１個単独で出力されるカム信号ＰＨＡＳＥを第１のカム信号、３個連続で出力されるカム信号ＰＨＡＳＥのうち先頭の信号を第２のカム信号、４個連続で出力されるカム信号ＰＨＡＳＥのうち先頭の信号を第３のカム信号、２個連続で出力されるカム信号ＰＨＡＳＥのうち先頭の信号を第４のカム信号とする。

モータ回転センサ５０は、例えば、電動モータ７０のモータシャフトの前端部に固定された被検知部５０Ａと、被検知部５０Ａの回転方向の変位を検知するギャップセンサである第３の検知部５０Ｂと、を含む。

被検知部５０Ａは、例えば、略円筒状に形成されており、第３の検知部５０Ｂに対向すると共に円筒形の中心軸方向の長さが時計回り方向に沿って１２０度ごとに減少するように形成された端面５０Ａ１を有する。

第３の検知部５０Ｂは、例えば、電磁ピックアップ式のセンサであって、対向する被検知部５０Ａの端面５０Ａ１との距離の変位を検出することによって、連続した鋸刃状の波形信号（以下、「モータシャフト回転角信号ＭＡＳ」という）を出力する。

すなわち、電動モータ７０のモータシャフトが時計周り方向に回転するときは、出力が漸増した後に急降下する波形信号が１２０度ごとに出力される（図６Ａを参照）。一方、電動モータ７０のモータシャフトが反時計周り方向に回転するときは、出力が漸減した後に急上昇する波形信号が出力される（図６Ｂを参照）。

したがって、モータ回転センサ５０は、出力の漸増に応じてモータシャフトの時計回り方向（例えば、進角方向）の回転角を漸増し、出力の漸減に応じてモータシャフトの反時計回り方向（例えば、遅角方向）の回転角を漸増することにより、回転方向と共に回転角（回転動作量）を連続的（リニア）に検出することができる。なお、電子制御装置６０は、出力が急降下又は急上昇するときに、対応する回転角の出力値（出力電圧）を学習することで、検出誤差を抑制することができると共に電動モータ７０のモータシャフトの回転角度を算出することができるようになっている。したがって、モータ回転センサ５０は、電動モータ７０のモータシャフトの回転角度を検出する。

電子制御装置６０は、吸気バルブのバルブタイミングをフィードバック制御すべく、まず、機関回転速度及び機関負荷などのエンジン１の運転状態に基づいて、電動ＶＴＣ８０によって制御される吸気カムシャフト２０の目標回転位相（以下、「ＶＴＣ目標角度」とする）を算出する。

次に、電子制御装置６０は、クランク角センサ３０の出力及びカム角センサ４０の出力からクランクシャフト１０に対する吸気カムシャフト２０の回転位相（以下、「ＶＴＣ実角度」という）を求める。より詳細には、ＶＴＣ実角度は、例えば、基準位置からカム信号ＰＨＡＳＥのうち第１〜第４のカム信号までのクランク角信号ＰＯＳの発生数をカウントすることにより算出される。すなわち、ＶＴＣ実角度は、気筒判別信号（第１〜第４のカム信号）が出力されたときに検出される。

また、モータ回転センサ５０は、電動モータ７０のモータシャフトの回転角度を任意のタイミングで連続的に検出することができ、少なくともカム角センサ４０による回転角度の検出頻度よりも検出頻度が高い。すなわち、モータ回転センサ５０による回転角度の検出周期は、気筒判別信号が出力されるごとに（カム角で９０度ごとに）検出されるＶＴＣ実角度の検出周期よりも短い。そして、電子制御装置６０は、このモータ回転センサ５０のモータシャフト回転角信号ＭＡＳから回転位相の変化量、すなわち、ＶＴＣ実角度の変化量（以下、「ＶＴＣ変化角」という）を求める。より詳細には、ＶＴＣ変化角は、例えば、以下のように算出される。

電子制御装置６０は、まず、クランク角センサ３０の出力に基づいて、基準位置からクランク角信号ＰＯＳの発生数をカウントすることによりクランクシャフト１０の回転角度を算出する。次いで、このクランクシャフト１０の回転角度に、クランクシャフト１０の回転速度に対するタイミングスプロケット８２の回転速度の減速比１／２を乗じることにより、タイミングスプロケット８２の回転角度を算出する。また、電子制御装置６０は、後述する更新処理の制御周期（前回の制御タイミングから今回の制御タイミングまでの間）間のタイミングスプロケット８２の回転角変化量を算出すると共に、モータ回転センサ５０の出力から同制御周期間のモータシャフトの回転角変化量を算出する。これら２つの回転角変化量の差は、制御周期間のタイミングスプロケット８２に対するモータシャフト回転角変化量となる。そして、この制御周期間の回転角変化量に、電動モータ７０の減速機によるモータ回転速度に対する吸気カムシャフト２０の回転速度の減速比（例えば、１／６０）及びクランク角への換算係数（減速比１／２の逆数＝２）を乗じることによって、タイミングスプロケット８２に対する吸気カムシャフト２０の回転角変化量、すなわち、回転位相の変化量（ＶＴＣ変化角）が算出される。

その後、電子制御装置６０は、このＶＴＣ変化角をＶＴＣ実角度の前回値に積算してＶＴＣ実角度を更新する。これにより、クランク角信号ＰＯＳ及びカム信号ＰＨＡＳＥに基づいて次のＶＴＣ実角度が検出される（求められる）までの間、ＶＴＣ実角度が補われる。

なお、以上の説明では、クランク角信号ＰＯＳのパルス列の一部を欠落させ、欠落後に初めて出力されるクランク角信号を基準位置としているが、これに限るものではない。例えば、クランク角信号ＰＯＳを欠落させることなく１０度毎に出力させ、クランク角１８０度毎に信号を発生する基準位置センサを別途設けてもよい。そして、この基準位置センサの出力信号を基準に、クランク角信号ＰＯＳを計数することで、クランクシャフト１０の回転角が検出される。

ＶＴＣ実角度の更新後、電子制御装置６０は、更新されたＶＴＣ実角度がＶＴＣ目標角度に追従するようなモータ操作量を算出し、この操作量に対応する指令信号を電動モータ７０に出力する。そして、電動ＶＴＣ８０がモータ操作量に応じて駆動されることで、吸気バルブのバルブタイミングは、例えば、ミラーサイクル運転中においては、吸気バルブの閉時期（ＩＶＣ）を十分に遅角させたミラー運転用のバルブタイミングに制御される（図７Ａを参照）。また、例えば、始動時（クランキング時）においては、始動時用にＩＶＣを進角させたバルブタイミングとなるように制御される（図７Ｂを参照）。

ここで、モータ回転センサ５０に異常が発生した場合には、誤ったＶＴＣ実角度に更新され、このＶＴＣ実角度に基づいて誤って算出されたモータ操作量が出力されてしまう。そのため、バルブタイミングが目標値に対して大きくオーバーシュートしてエンジン性能が損なわれるおそれがあった。また、オーバーシュートによりストッパ凸部８２Ａ１が吸気カムシャフト２０のストッパ凹溝２０Ａの対向縁２０Ｂに衝突したり、電動ＶＴＣ８０を駆動するカム機構が噛み合って固着したりするなどの二次故障が発生するおそれがある。

そこで、従来では、誤ったモータ操作量によりフィードバック制御処理が実行されることを抑制すべく、例えば、気筒判別信号（第１〜第４のカム信号）が出力されるごとに求められるＶＴＣ実角度の変化量と、モータシャフト回転角信号ＭＡＳから求められるＶＴＣ変化角との差分の絶対値が所定値未満であるか否かに基づいてモータ回転センサ５０の異常を検出する診断処理を実行していた。この診断処理は、吸気カムシャフト２０が９０度回転するたびに出力される気筒判別信号を契機として実行される。

しかしながら、図８Ａ、図８Ｂに示すように、カム角センサ４０のシグナルプレート４２に設けられた各突起部４４の製造バラツキなどのため、第１〜第４のカム信号の出力タイミングには、誤差が生じる。すなわち、第１〜第４のカム信号の出力間隔は一定ではない（例えば、第１のカム信号及び第２のカム信号間においてクランク角で１８０±Ｏ度、第２のカム信号及び第３のカム信号間においてクランク角で１８０±Δ度）。このため、第１〜第４のカム信号が出力されるごとに求められるＶＴＣ実角度には、許容公差に起因する誤差に加えて、第１〜第４のカム信号の出力間隔に起因する誤差が含まれてしまう（図８Ｂを参照）。これにより、従来の診断方式では、第１〜第４のカム信号が出力されるごとにＶＴＣ実角度及びＶＴＣ変化角に基づいて算出される差分に、第１〜第４のカム信号の出力間隔に起因したバラツキが生じてしまう。このような差分を用いた診断処理では、例えば、差分と比較される異常判定用の閾値を、例えば、誤診断が行われないように大きく設定する必要がある。したがって、モータ回転センサ５０に異常が発生しているのに異常判定されないなど、モータ回転センサ５０の異常検出精度を向上させることが困難であった。

そこで、電子制御装置６０が実行する診断処理では、第１〜第４のカム信号の出力間隔に起因する差分のバラツキを抑制してモータ回転センサ５０の異常検出精度を向上させるべく、カム角センサ４０により所定の回転角度が検出されたことを契機として、信号ＰＯＳ、ＰＨＡＳＥから求められるＶＴＣ実角度（回転位相）の変化量と、信号ＭＡＳから求められるＶＴＣ変化角（ＶＴＣ実角度の変化量）とに基づいてモータ回転センサ５０の異常の有無を判定する。より詳細には、診断処理は、例えば、気筒判別信号（第１〜第４のカム信号）のうち、吸気カムシャフト２０が１回転するごとに（クランクシャフト１０が２回転するごとに）出力される信号（例えば、第１のカム信号）が検出されたときに実行される。すなわち、上述の例では、診断処理は、第１気筒を示す気筒判別信号が出力されたときに実行される。

図９は、電子制御装置６０が実行するＶＴＣ実角度の更新処理の一例を示すフローチャートである。この更新処理には、モータ回転センサ５０の診断処理が組み込まれている。なお、更新処理は、フィードバック制御処理においてＶＴＣ目標角度が算出されたことを契機として実行される。

ステップＳ１００では、ＣＰＵ６０Ａは、上述したように、モータ回転センサ５０のモータシャフト回転角信号ＭＡＳに基づいて前回の制御タイミングから今回の制御タイミングまでの間のＶＴＣ変化角（VAR）を算出する。

ステップＳ１０２では、ＣＰＵ６０Ａは、第１〜第４のカム信号のいずれか１つが検出されたか否か、すなわち、ＶＴＣ実角度が検出されたか否かを判定する。ＣＰＵ６０Ａは、ＶＴＣ実角度が検出されたと判定すると、処理をステップＳ１０４に進める。

ステップＳ１０４では、ＣＰＵ６０Ａは、ステップＳ１０２で検出した信号が特定の信号であるか否かを判定する。ＣＰＵ６０Ａは、例えば、第１のカム信号を特定の信号として予め設定しておく。ただし、これに限るものではなく、ＣＰＵ６０Ａは、第１〜第４のカム信号のうちＶＴＣ目標角度が算出された後に初めて検出されるカム信号を特定の信号として学習し、その後の処理に用いるようにしてもよい。

ステップＳ１０４において、ＣＰＵ６０Ａは、ステップＳ１０２で検出した信号が特定の信号（上述した例では、第１のカム信号）であると判定すると、処理をステップＳ１０６に進める。

以下のステップＳ１０６〜Ｓ１１０では、ＣＰＵ６０Ａは、診断処理を実行するか否かを判定すべく、以下の３つの条件が成立しているか否かを判定する。

第１の条件は、クランク角センサ３０及びカム角センサ４０が正常であるときに成立する。これは、クランク角センサ３０及びカム角センサ４０の少なくとも一方が異常である場合に、各信号ＰＯＳ、ＰＨＡＳＥに基づいて誤ったＶＴＣ実角度が算出され、異常判定用のパラメータとしてＶＴＣ実角度及びＶＴＣ変化角を用いる後述の診断処理においてモータ回転センサ５０の異常検出精度が悪化するおそれがあるためである。そこで、ステップＳ１０６では、ＣＰＵ６０Ａは、クランク角センサ３０及びカム角センサ４０のそれぞれの検出値、例えば、センサ出力範囲又はセンサ出力変化量を監視することにより、各種センサ３０、４０の異常の有無を判定する。そして、ＣＰＵ６０Ａは、各種センサ３０、４０が正常であると判定すると、第１の条件が成立したとみなし、処理をステップＳ１０８に進める。

第２の条件は、エンジン回転数が急変していないときに成立する。クランキング開始時などのエンジン回転数急変時では、クランクシャフト１０の回転速度が急増する。この場合、例えば、第１の検知部３６が突起部３４の少なくとも１つを検知できず、クランク角信号ＰＯＳが出力されないことがある。そのため、各信号ＰＯＳ、ＰＨＡＳＥに基づいて誤ったＶＴＣ実角度が算出されるおそれがある。そこで、ステップＳ１０８では、エンジン回転数急変時に診断処理の実行を禁止すべく、ＣＰＵ６０Ａは、例えば、クランク角信号ＰＯＳに基づいて算出される単位時間当たりのエンジン回転数の変化量が所定値（回転数急変判定用の閾値）未満であるか否かを判定する。これにより、エンジン回転数が急変しているか否かを判定する。そして、ＣＰＵ６０Ａは、エンジン回転数が急変していないと判定すると、第２の条件が成立したとみなし、処理をステップＳ１１０に進める。

ここで、ＶＴＣ実角度及びＶＴＣ変化角のそれぞれは、異なるセンサ及び信号に基づいて算出されるため、異なるタイミングで検出される。そのため、電動ＶＴＣ８０の駆動によりＶＴＣ角度が変更されている途中であるか否かに関わらず診断処理を実行すると、例えば、ＶＴＣ変化角はＶＴＣ角度の変更前に検出される一方、ＶＴＣ実角度はＶＴＣ角度の変更後に検出されるなど、検出タイミングによっては誤った判定結果となるおそれがある。そこで、ステップＳ１１０では、ＣＰＵ６０Ａは、第３の条件として、電動ＶＴＣ８０の駆動によるＶＴＣ角度の変更量が所定値未満であるか否か、すなわち、バルブタイミングの変更中であるか否かを判定する。この第３の条件は、バルブタイミングが変更されていないときに成立する。より詳細には、ステップＳ１１０の判定は、例えば、ステップＳ１０２で検出されステップＳ１０４で特定の信号と判定された信号（上述した例では第１のカム信号）に基づくＶＴＣ実角度とＶＴＣ実角度の前回値との差分の絶対値、すなわち、ＶＴＣ実角度の変化量が所定値（ＶＴＣ角度変更判定用の閾値）未満であるか否かを判定することにより実行される。そして、ステップＳ１１０において、ＣＰＵ６０Ａは、ＶＴＣ実角度の変化量が所定値未満であると判定すると、第３の条件が成立したとみなす。その後、ＣＰＵ６０Ａは、処理をステップＳ１１２に進め、モータ回転センサ５０の異常を検出する診断処理を実行する。

図１０は、電子制御装置６０（ＣＰＵ６０Ａ）が実行するモータ回転センサ５０の診断処理の一例を示すフローチャートである。ステップＳ２００では、ＣＰＵ６０Ａは、ステップＳ１０２で検出されステップＳ１０４で特定の信号と判定された信号（上述した例では第１のカム信号）に基づくＶＴＣ実角度（ANG）と、前回求めたＶＴＣ実角度（ANG前回値）にステップＳ１００で検出したＶＴＣ変化角（VAR）を積算した値とを比較する。これにより、モータ回転センサ５０の異常の有無が判定される。より詳細には、ＣＰＵ６０Ａは、例えば、ＶＴＣ実角度（ANG）とＶＴＣ実角度の前回値（ANG前回値）にＶＴＣ変化角（VAR）を積算した値との差分の絶対値が所定値（異常判定用の閾値）未満であるか否かを判定する（|ANG - (ANG前回値 + VAR)| ＜ 所定値）。

すなわち、ステップＳ２００において、ＣＰＵ６０Ａは、カム角センサ４０により所定の回転角度が検出されたことを契機として、信号ＰＯＳ、ＰＨＡＳＥから求められるＶＴＣ実角度の変化量と、信号ＭＡＳから求められるＶＴＣ変化角との差分の絶対値が所定値未満であるか否かを判定する。なお、エンジンが始動してからＶＴＣ実角度が初めて検出されるまでの間、ＣＰＵ６０Ａは、例えば、ＶＴＣ実角度がエンジン始動前の停止挙動中のフィードバック制御処理において算出されたＶＴＣ目標角度に収束したとみなし、このＶＴＣ目標角度をＶＴＣ実角度の前回値（ANG前回値）として処理を実行する。

ステップＳ２００において、ＣＰＵ６０Ａは、上述した差分の絶対値が所定値未満であると判定すると、処理をステップＳ２０２に進める。ステップＳ２０２では、ＣＰＵ６０Ａは、モータ回転センサ５０が正常であると判定し、処理をステップＳ２０４に進める。

ステップＳ２０４では、ＣＰＵ６０Ａは、ＶＴＣ実角度の最終値（ANG最終値）をステップＳ１０２で検出したＶＴＣ実角度（ANG）（すなわち、第１のカム信号に基づくＶＴＣ実角度）に更新し（ANG最終値 = ANG）、処理を終了させる。なお、モータ回転センサ５０が正常と判定されているので、ＶＴＣ実角度の最終値（ANG最終値）を、ＶＴＣ実角度の前回値（ANG前回値）にＶＴＣ変化角（VAR）を積算した値としてもよい（ANG最終値 = ANG前回値 + VAR）。
その後、ＣＰＵ６０Ａは、このＶＴＣ実角度の最終値（ANG最終値）を用いて、通常のバルブタイミングのフィードバック制御処理を実行する。

一方、ＣＰＵ６０Ａは、ステップＳ２００において、上述した差分の絶対値が所定値以上であると判定すると、処理をステップＳ２０６に進める。ステップＳ２０６では、ＣＰＵ６０Ａは、モータ回転センサ５０に異常が発生していると判定して、処理をステップＳ２０８に進める。

ステップＳ２０８では、ＣＰＵ６０Ａは、モータ回転センサ５０の異常時用フェールセーフ制御処理として、ＶＴＣ実角度の最終値（ANG最終値）を、ステップＳ１０２で検出されステップＳ１０４で特定の信号と判定された信号（上述した例では第１のカム信号）に基づくＶＴＣ実角度（ANG）に更新し（ANG最終値 = ANG）、処理を終了させる。
その後、ＣＰＵ６０Ａは、このＶＴＣ実角度の最終値（ANG最終値）を用いてバルブタイミングのフィードバック制御処理を実行する。

すなわち、モータ回転センサ５０に異常が発生した場合は、異常時用フェールセーフ制御処理として、クランク角信号ＰＯＳ及びカム信号ＰＨＡＳＥから求められるＶＴＣ実角度のみによってバルブタイミングのフィードバック制御処理を継続する。これにより、モータ回転センサ５０の異常発生に起因する誤ったＶＴＣ実角度への更新が抑制される。したがって、誤ったモータ操作量が出力されることを回避してバルブタイミングの目標値に対するオーバーシュートを抑制することが可能となるので、エンジン性能が確保されると共に電動ＶＴＣ８０の駆動によるストッパの耐久性低下や固着などの二次故障の発生を抑制することができる。

また、ステップＳ２０８において、ＣＰＵ６０Ａは、信号ＰＯＳ、ＰＨＡＳＥから求められるＶＴＣ実角度のみによってバルブタイミングのフィードバック制御処理を継続することに代えて、モータ操作量の出力をオフにするフェールセーフ制御処理を実行してもよい。これにより、モータ回転センサ５０に故障があった場合に、誤ったモータ操作量に基づく電動ＶＴＣ８０の駆動を抑制することができる。

ここで、上述したモータ回転センサ５０の異常時用フェールセーフ制御処理としては、信号ＰＯＳ、ＰＨＡＳＥから求められるＶＴＣ実角度のみに基づくフィードバック制御処理の継続及びモータ操作量の出力をオフにすることの他、誤ったモータ操作量によるストッパの耐久性低下及び固着を抑制すべく、ストッパ凸部８２Ａ１をストッパ凹溝２０Ａの対向縁２０Ｂに固定する固定操作量を電動モータ７０に出力したり、エンジン性能への影響を最小限に抑えるべく、モータ操作量の出力を制限したりしてもよい。

また、モータ回転センサ５０の異常時用フェールセーフ制御処理を、例えば、ステップＳ２００での異常判定回数の増加に応じて、信号ＰＯＳ、ＰＨＡＳＥから求められるＶＴＣ実角度のみに基づくフィードバック制御処理の継続、モータ操作量の出力を制限、及び、固定操作量を出力するか又はモータ操作量の出力をオフするという順序で段階的に切り換えてもよい。

さらに、モータ回転センサ５０の異常時用フェールセーフ制御を、ステップＳ２００での異常判定レベル（例えば、異常と判定された回数又は差分の絶対値の大小）に応じて、信号ＰＯＳ、ＰＨＡＳＥから求められるＶＴＣ実角度のみに基づくフィードバック制御処理の継続（差分の絶対値小）、モータ操作量の出力を制限（差分の絶対値中）、及び、固定操作量を出力するか又はモータ操作量の出力をオフする（差分の絶対値大）という順序で段階的に切り換えてもよい。すなわち、ステップＳ２００での異常と判定された回数又は差分の絶対値の大小に応じて、フェールセーフ制御処理を段階的に切り換えることによりエンジン性能への影響を抑えることができる。

一方、ステップＳ１０２でＶＴＣ実角度が検出されなかった場合、ＣＰＵ６０Ａは、処理をステップＳ１１４に進める。ステップＳ１１４では、ＣＰＵ６０Ａは、ＶＴＣ実角度の最終値（ANG最終値）をＶＴＣ実角度の前回値（ANG前回値）（又は初期値）にＶＴＣ変化角（VAR）を積算した値に更新し（ANG最終値 ＝ ANG前回値 + VAR）、処理を終了させる。
その後、ＣＰＵ６０Ａは、このＶＴＣ実角度の最終値（ANG最終値）を用いて、通常のバルブタイミングのフィードバック制御を実行する。

すなわち、ＶＴＣ実角度が検出されなかった場合（すなわち、第１〜第４のカム信号が検出されなかった場合）においては、上述したように、検出頻度が高いモータ回転センサ５０が検出したＶＴＣ変化角を用いることにより、ＶＴＣ実角度が更新される。これにより、信号ＰＯＳ、ＰＨＡＳＥに基づくＶＴＣ実角度が検出されない期間においても、ＶＴＣ目標角度にＶＴＣ実角度が追従するようなモータ操作量を算出することが可能となる。したがって、バルブタイミングのフィードバック制御処理の精度を向上させることができる。

また、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０２で検出したカム信号が特定の信号でないと判定された場合においても、ＣＰＵ６０Ａは、処理をステップＳ１１４に進める。そして、ステップＳ１１４において、ＣＰＵ６０Ａは、ステップＳ１０２でＶＴＣ実角度が検出されなかった場合の処理と同様、ＶＴＣ変化角を用いてＶＴＣ実角度を更新する（ANG最終値 ＝ ANG前回値 + VAR）。換言すると、検出したカム信号が特定の信号でない場合においては、ＶＴＣ実角度の最終値を、特定の信号でないカム信号（例えば、第２のカム信号）に基づくＶＴＣ実角度に更新しない。これにより、ステップＳ１１２における診断処理は、特定の信号（上述した例では第１のカム信号）が出力されるごとに求められるＶＴＣ実角度の変化量、すなわち、吸気カムシャフト２０が１回転するごとに求められるＶＴＣ実角度の変化量を用いて実行される。

要するに、処理開始からステップＳ１１２の診断処理が初めて実行されるまでは、ＶＴＣ実角度はＶＴＣ変化角を用いて更新される。したがって、ステップＳ１１２の診断処理では、気筒判別信号のうち特定の信号（第１のカム信号）が出力されたときに求められるＶＴＣ実角度とその後吸気カムシャフト２０が１回転して再び特定の信号（第１のカム信号）が出力されたときに求められるＶＴＣ実角度との差（変化量）、及び、吸気カムシャフト２０が１回転するまでの間にそれぞれ求められるＶＴＣ変化角の積算値が比較される。

また、ＣＰＵ６０Ａは、ステップＳ１０６で第１の条件を満たしていないと判定した場合には、処理をステップＳ１１６に進める。ステップＳ１１６では、ＣＰＵ６０Ａは、クランク角センサ３０及びカム角センサ４０の少なくとも一方に異常が発生したと判定し、処理を終了させる。その後、ＣＰＵ６０Ａは、クランク角センサ３０及びカム角センサ４０の異常時用フェールセーフ制御処理を実行する。このフェールセーフ制御処理としては、例えば、ＶＴＣ実角度の最終値をＶＴＣ実角度の前回値にＶＴＣ変化角を積算した値に更新してフィードバック制御処理を継続するか、又は、モータ操作量の出力をオフにするなどの上述したモータ回転センサ５０の異常時用フェールセーフ制御処理と同様の処理を実行する。

一方、ステップＳ１０８又はＳ１１０において、ＣＰＵ６０Ａは、第２の条件又は第３の条件が成立していないと判定すると、処理をステップＳ１１４に進め、上述したように、ＶＴＣ実角度の最終値を更新する。
その後、ＣＰＵ６０Ａは、このＶＴＣ実角度の最終値（ANG最終値）を用いてバルブタイミングのフィードバック制御処理を実行する。

なお、以上では、ステップＳ１１２の診断処理は、ステップＳ１０６〜Ｓ１１０における３つの条件の全てが成立した場合に実行する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、３つの条件のうち少なくとも１つの条件が成立した場合に診断処理を実行するようにしてもよい。

なお、ステップＳ２０６でモータ回転センサ５０に異常が発生したと判定された場合であっても、その異常の発生がノイズを原因とする場合など一時的である可能性がある。したがって、ステップＳ２０６で異常が発生したと判定されてから各種フェールセーフ制御処理に移行した後、ステップＳ２００の判定により正常判定が継続すればフェールセーフ制御処理を解除してもよい。

以上説明した実施形態においては、モータ回転センサ５０の診断処理は、カム角センサ４０により所定の回転角度が検出されたこと（吸気カムシャフト２０が１回転したこと）を契機として、クランク角信号ＰＯＳ及びカム信号ＰＨＡＳＥから求められるＶＴＣ実角度の変化量と、モータシャフト回転角信号ＭＡＳから求められるＶＴＣ変化角とを比較することによって実行される。ここで、ＶＴＣ実角度の変化量は、第１のカム信号が検出されてから吸気カムシャフト２０が１回転して再び第１のカム信号が検出されたときに求められる。すなわち、同じ突起部４４が検知されて同じカム信号ＰＨＡＳＥが出力されるごとに診断処理が実行されることにより、カム角センサ４０の突起部４４の製造バラツキによる影響、すなわち、ＶＴＣ実角度に含まれる第１〜第４のカム信号の出力間隔に起因する誤差を抑制することが可能となる。したがって、異常判定用のパラメータ（差分）のバラツキが抑制される。これにより、差分と比較するための異常判定用の閾値を従来よりも小さく設定することが可能となるので、モータ回転センサ５０の異常検出精度を向上させることができる。

ここで、従来の診断方式では、第１〜第４のカム信号が出力されるたびに、クランク角信号ＰＯＳ及びカム信号ＰＨＡＳＥから求められるＶＴＣ実角度を更新していた。そして、更新前のＶＴＣ実角度（例えば、第１のカム信号に基づくＶＴＣ実角度）にモータシャフト回転角信号ＭＡＳから求められるＶＴＣ変化角を積算して得られる値と、更新後のＶＴＣ実角度（例えば、第２のカム信号に基づくＶＴＣ実角度）との差分の絶対値を異常判定用の閾値と比較していた。そのため、例えば、モータ回転センサ５０に異常が発生してＶＴＣ変化角が正常値よりも大きな値となってしまうような場合に、ＶＴＣ変化角の積算回数が少ないため、差分の絶対値が閾値以上と判定するのに十分な大きさにならず、モータ回転センサ５０の異常を正確に検出できないおそれがあった。

一方、以上説明した実施形態において、第１のカム信号が検出されたときに更新されるＶＴＣ実角度は、吸気カムシャフト２０が１回転するまでの間に複数回求められる（検出される）ＶＴＣ変化角を、第１のカム信号が前回出力されたときに求められたＶＴＣ実角度に積算した値となる。すなわち、本実施形態では、吸気カムシャフト２０が９０度回転するたびにＶＴＣ実角度を更新して診断処理を実行する従来の診断方式と比較して、ＶＴＣ変化角の積算回数が増大する。これにより、例えば、上述したようなモータ回転センサ５０に異常が発生してＶＴＣ変化角が正常値よりも大きい値となってしまう場合に、ＶＴＣ実角度の変化量とＶＴＣ変化角との差分は、従来の診断方式において算出される差分よりも大きな値となる。したがって、従来の診断方式と比較して差分が大きな値となる分、この差分が異常判定用の閾値以上であるか否かを正確に判定することが可能となるので、モータ回転センサ５０の異常検出精度を向上させることができる。

なお、以上の説明では、気筒判別信号のうち第１のカム信号が検出されたことを契機として、検出された第１のカム信号に基づくＶＴＣ実角度にＶＴＣ変化角を積算して診断処理を実行するようにしたが、これに限るものではない。例えば、気筒判別信号のうち残りのカム信号（第２〜第４のカム信号）が検出されたときに、検出されたカム信号に基づくＶＴＣ実角度にＶＴＣ変化角を積算した値を用いて診断処理を実行するようにしてもよい。すなわち、診断処理は、吸気カムシャフト２０が１回転するまでの間に複数回（例えば、第１〜第４のカム信号が検出されるたびに４回）実行される。この場合においても、各診断処理は、検出されたカム信号に基づくＶＴＣ実角度にＶＴＣ変化角を積算した値を用いて実行されるので、ＶＴＣ実角度の第１〜第４のカム信号の出力間隔に起因する誤差及び差分のバラツキは抑制される。なお、フィードバック制御処理に用いるＶＴＣ実角度は、第１〜第４のカム信号のいずれか１つに基づくＶＴＣ実角度を用いて更新するものとし、残りのカム信号に基づくＶＴＣ実角度は、診断処理用のパラメータとして学習しておくことが好ましい。

また、以上の説明では、ＶＴＣの制御装置を直列４気筒の４サイクルエンジンに適用したが、これに限るものではなく、少なくとも２つの気筒を有するエンジンであれば、いかなるものにも適用可能である。

なお、以上では、ＶＴＣの制御装置を吸気バルブのバルブタイミングを変更するものとして説明したが、排気バルブのバルブタイミングを変更するものであってもよい。

１０ クランクシャフト
２０ 吸気カムシャフト
３０ クランク角センサ
４０ カム角センサ
５０ モータ回転センサ
６０ 電子制御装置
７０ 電動モータ
８０ 電動ＶＴＣ（可変バルブタイミング機構）

Claims (5)

1. エンジンのクランクシャフトの回転角度を検出するクランク角センサの出力と、カムシャフトの回転角度を検出するカム角センサの出力と、前記クランクシャフトに対する前記カムシャフトの回転位相を変更する電動モータの出力軸の回転角度を検出するモータ回転センサの出力と、を用いてバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構の制御装置であって、
   前記カムシャフトが１回転するごとに前記カム角センサにより所定の回転角度が検出されたことを契機として、前記クランク角センサ及び前記カム角センサの出力から求められる前記クランクシャフトに対する前記カムシャフトの回転位相の第１の変化量と、前記モータ回転センサの出力から求められる前記クランクシャフトに対する前記カムシャフトの回転位相の第２の変化量と、を比較して前記モータ回転センサの異常の有無を判定するように構成された、可変バルブタイミング機構の制御装置。
2. 前記カム角センサは、気筒判別信号を出力する、請求項１に記載の可変バルブタイミング機構の制御装置。
3. 前記第１の変化量と、前記第２の変化量と、の差分の絶対値が第１の閾値以上のときに、前記モータ回転センサが異常であると判定する、請求項１又は請求項２に記載の可変バルブタイミング機構の制御装置。
4. 前記異常の有無の判定は、前記エンジンの単位時間当たりの回転数の変化量が第２の閾値未満であるときに実行される、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機構の制御装置。
5. 前記異常の有無の判定は、前記第１の変化量が第３の閾値未満であるときに実行される、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機構の制御装置。

Images