JP2016011609A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ＶＶＴ機構の故障に起因したエミッションの悪化を抑制する。
【解決手段】排気通路を流れるガスの空燃比と目標空燃比とを比較して燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を実施するにあたり、フィードバック制御における燃料噴射量の補正量の変動範囲をガード値によって規制するとともに、吸気バルブタイミングを変更可能なＶＶＴ機構が固着して吸気バルブタイミングを最も遅角したタイミングに復帰させ得ない状態に陥った場合には、フィードバック制御における燃料噴射量の補正量の変動範囲を拡張するようにガード値を変更することとした。
【選択図】図１０

Description

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

車両に搭載される内燃機関について、吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できる吸気ＶＶＴ機構を備えたものが公知である（例えば、下記特許文献を参照）。この種のＶＶＴ機構は、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトに対する、吸気バルブを開閉駆動する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることで、吸気バルブの開閉タイミングを変化させるものである。

特開２０１４−０６６２２７号公報

吸気バルブタイミングの進角は、吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁しているバルブオーバーラップ期間の拡大を意味する。吸気バルブタイミングの進角量が大きいときには、気筒に残留する排気ガスである内部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスの量が増加し、それに伴って気筒に充填される新気の量が減少する。

ＶＶＴ機構に支障が発生し、吸気バルブタイミングが最も遅角したタイミングから進角したままの状態でＶＶＴ機構が固着してしまうと、本来の想定よりも内部ＥＧＲ量が増すことから、その分だけ燃料噴射量を減量しなければならなくなる。

一般に、内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、排気通路に設置された空燃比センサを介して排気通路を流れるガスの空燃比を検出し、その空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を実施している。しかしながら、ＶＶＴ機構の固着による内部ＥＧＲ量の増大即ち新気量の減少が、空燃比フィードバック制御によって補正できる範囲を超越していると、空燃比が過剰なリッチのままとなって、有害物質の排出量の増大を招く。

以上の問題に着目してなされた本発明は、吸気ＶＶＴ機構の故障に起因したエミッションの悪化を抑制することを所期の目的としている。

本発明では、吸気バルブタイミングを変更可能な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制御装置であって、排気通路上に設けた空燃比センサの出力信号を参照し、排気通路を流れるガスの空燃比と目標空燃比とを比較して燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を実施するものであり、空燃比フィードバック制御における燃料噴射量の補正量の変動範囲をガード値によって規制するとともに、可変バルブタイミング機構が固着して吸気バルブタイミングを最も遅角したタイミングに復帰させ得ない状態に陥ったことを感知した場合には、空燃比フィードバック制御における燃料噴射量の補正量の変動範囲を拡張するようにガード値を変更する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、吸気ＶＶＴ機構の故障に起因したエミッションの悪化を抑制することができる。

本発明の一実施形態の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随する可変バルブタイミング機構の構成を示す図。 リアＯ₂センサの出力信号を参照した空燃比フィードバック制御の模様を示すタイミング図。 制御中心補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を例示するグラフ。 リアＯ₂センサの出力信号を参照した空燃比フィードバック制御の模様を示すタイミング図。 同実施形態の内燃機関に付随するクランク角センサの構成を模式的に示す図。 同実施形態の内燃機関に付随するカム角センサの構成を模式的に示す図。 内燃機関の各気筒の行程、クランク角信号及びカム角信号の相互関係を示すタイミング図。 図８の一部を拡大して示すタイミング図。 同実施形態の制御装置が実施する制御の手順例を示すフロー図。 空燃比フィードバック制御における燃料噴射量の補正量ＦＡＦの変動がガード値により規制される模様を示すタイミング図。 空燃比フィードバック制御における燃料噴射量の補正量ＦＡＣＦの変動がガード値により規制される模様を示すタイミング図。

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。

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。

排気通路４における触媒４１の上流及び下流には、排気通路を流通する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置する。空燃比センサ４３、４４はそれぞれ、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサであってもよく、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよい。本実施形態では、触媒４１の上流側及び下流側の各空燃比センサ４３、４４について、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力するＯ₂センサを想定している。Ｏ₂センサ４３、４４の出力特性は、理論空燃比近傍の一定範囲（ウィンドウ）では空燃比に対する出力の変化率が大きく急峻な傾きを示し、それよりも空燃比が大きいリーン領域では低位飽和値に漸近し、空燃比が小さいリッチ領域では高位飽和値に漸近する、いわゆるＺ特性曲線を描く。

外部ＥＧＲ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、具体的にはサージタンク３３に接続している。

図２に示すように、本実施形態における内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。

その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、ＶＶＴ機構６を介設している。本実施形態におけるＶＶＴ機構６は、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ものである。

ＶＶＴ機構６のハウジング６１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング６１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ６２は、ハウジング６１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング６１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング６１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ６２の外周部に成形されたベーン６２１によって進角室６１２と遅角室６１１とに区画されている。

ＶＶＴ機構６の液圧（油圧）回路には、オイルパン８１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８２より供給される。液圧ポンプ８２は、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ８２とＶＶＴ機構６との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８１から汲み上げた作動液を進角室６１２または遅角室６１１に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング６１がロータ６２に対して相対回動し、吸気バルブの開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

ＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁である。図２に示すように、ＯＣＶ９は、液圧ポンプ８２の吐出口と接続する供給ポート９１、ハウジング６１の進角室６１２と接続するＡポート９２、ハウジング６１の遅角室６１１と接続するＢポート９３、並びにオイルパン８１と接続するドレインポート９４、９５を有している。ＯＣＶ９のスプールは、進退動作により内部粒体経路を切り換えて、Ａポート９２及びＢポート９３をそれぞれ供給ポート９１、ドレインポート９４、９５の何れかに連通させる。また、スプール９６が中立位置をとるときには内部流体経路が断絶し、Ａポート９２及びＢポート９３を供給ポート９１にもドレインポート９４、９５にも連通させない。図２では、スプール９６が中立位置にある状態を示している。

スプール９６はソレノイド９７によって駆動する。即ち、制御信号ｍとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。

制御信号ｍのデューティ比が比較的大きい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室６１２に供給される一方、既に遅角室６１１に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、進角室６１２の容積が拡大、遅角室６１１の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気バルブタイミングが進角化する。

逆に、制御信号ｍのデューティ比が比較的小さい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室６１１に供給される一方、既に進角室６１２に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、遅角室６１１の容積が拡大、進角室６１２の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気バルブタイミングが遅角化する。

総じて言えば、制御信号ｍのデューティ比が中立より大きいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く進角し、デューティ比が中立より小さいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く遅角する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０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をアクセル開度（運転者が要求する機関出力、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、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ｄ、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ｅ、触媒４１の上流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、触媒４１の下流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される空燃比信号ｇ、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吸気タイミング信号たるカム角信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ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、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ等を出力する。

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（新気）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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、点火タイミング、吸気バルブタイミング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、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはモータジェネレータ。図示せず）に制御信号ｏを入力し、電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

ＥＣＵ０は、気筒１に充填される混合気の空燃比、ひいては気筒１から排出され触媒４１へと導かれる排気ガスの空燃比をフィードバック制御する。ＥＣＵ０は、まず、気筒１に充填される新気の量に見合った基本噴射量ＴＰを決定する。次いで、この基本噴射量ＴＰを、触媒４１の上流側の空燃比に応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正し、さらには内燃機関の状況に応じて定まる各種補正係数Ｋやインジェクタ３６の無効噴射時間ＴＡＵＶをも加味して、最終的な燃料噴射時間（インジェクタ１１に対する通電時間）Ｔを算定する。燃料噴射時間Ｔは、
Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶ
となる。そして、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に信号ｊを入力、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

触媒４１の上流側の空燃比信号ｆを参照したフィードバック制御は、例えば、内燃機関の冷却水温が所定温度以上であり、燃料カット中でなく、パワー増量中でなく、内燃機関の始動から所定時間が経過し、フロントＯ₂センサ４３が活性中、吸気圧が正常である、等の諸条件が全て成立している場合に行う。

図３に示すように、ＥＣＵ０は、触媒４１の上流側のガスの空燃比を検出するセンサであるフロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆを、触媒４１の上流側におけるガスの目標空燃比に相当する目標値（目標電圧値。一点鎖線で表す）と比較して、その上流側目標値よりも高ければリッチ、その上流側目標値よりも低ければリーンと判定する。通常、目標値は理論空燃比またはその近傍に対応した値である。

そして、ＥＣＵ０は、触媒４１の上流側のガスの空燃比の判定結果に基づき、フィードバック補正係数ＦＡＦを増減調整する。具体的には、空燃比がリッチであると判定している間、フィードバック補正係数ＦＡＦを単位時間（または、制御サイクル、演算サイクル）あたりリーン積分値ＫＩＭだけ逓減させる一方、空燃比がリーンであると判定している間は、フィードバック補正係数ＦＡＦを単位時間あたりリッチ積分値ＫＩＰだけ逓増させる。

フィードバック補正量ＦＡＦが減少すると、インジェクタ１１による燃料噴射量が絞られて、混合気の空燃比がリーンへと向かう。逆に、フィードバック補正量ＦＡＦが増加すると、インジェクタ１１による燃料噴射量が上積みされて、混合気の空燃比がリッチへと向かう。

但し、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆが目標電圧値を跨ぐように変動したときには、即時に触媒４１の上流側のガスの空燃比の判定結果を反転させるのではなく、遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲの経過を待ってから判定結果を反転させる。即ち、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆがリッチからリーンに切り替わった（目標電圧値を下回った）ときには、リーン判定遅延時間ＴＤＬの経過の後、空燃比がリッチからリーンに反転したと判断する。並びに、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆがリーンからリッチに切り替わった（目標電圧値を上回った）ときには、リッチ判定遅延時間ＴＤＲの経過の後、空燃比がリーンからリッチに反転したと判断する。

リーン判定遅延時間ＴＤＬ及びリッチ判定遅延時間ＴＤＲを設けているのは、Ｏ₂センサ４３の出力信号にノイズが混入した場合に、空燃比のリーン／リッチの判定結果が短期間に複数回反転して燃料噴射量が振動するように増減するチャタリングを起こすことを予防する意図である。

遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲは、制御中心補正量ＦＡＣＦに応じて増減する。図４に、補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲとの関係を例示する。補正量ＦＡＣＦが大きくなるほど、リーン判定遅延時間ＴＤＬ（破線で表す）は短縮され、リッチ判定遅延時間ＴＤＲ（実線で表す）は延長される。さすれば、フィードバック補正係数ＦＡＦが増加から減少に転じる時期が遅れ、減少から増加に転じる時期が早まる。結果、燃料噴射量が平均的に増すこととなり、空燃比フィードバック制御の制御中心がリッチ側に変位する。

翻って、補正量ＦＡＣＦが小さくなるほど、リーン判定遅延時間ＴＤＬは延長され、リッチ判定遅延時間ＴＤＲは短縮される。さすれば、フィードバック補正係数ＦＡＦが増加から減少に転じる時期が早まり、減少から増加に転じる時期が遅れる。結果、燃料噴射量が平均的に減ることとなり、空燃比フィードバック制御の制御中心がリーン側に変位する。

ＥＣＵ０は、空燃比フィードバック制御中、上記の制御中心補正量ＦＡＣＦをも算出する。この補正量ＦＡＣＦは、触媒４１の下流側の空燃比に応じて定まる。触媒４１の下流側の空燃比信号ｇを参照したフィードバック制御は、例えば、冷却水温が所定温度以上であり、空燃比フィードバック制御の開始から所定時間が経過し、フロントＯ₂センサ４３及び／またはリアＯ₂センサ４４が活性してから所定時間が経過し、過渡期の燃料補正量が所定値を下回り、アイドル状態で車速が０若しくは０に近い所定値以下であるかまたは非アイドル状態で所定の運転領域にある、等の諸条件が全て成立している場合に行う。

図５に示すように、ＥＣＵ０は、触媒４１の下流側のガスの空燃比を検出するセンサであるリアＯ₂センサ４４の出力電圧ｇを、触媒４１の下流側におけるガスの目標空燃比に相当する目標値（目標電圧値。鎖線で表す）と比較して、その下流側目標値よりも高ければリッチ、その下流目標値よりも低ければリーンと判定する。この下流側目標値は、フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆと比較される上流側目標値とは一致しないことがある。

そして、ＥＣＵ０は、触媒４１の下流側のガスの空燃比の判定結果に基づき、制御中心補正量ＦＡＣＦを増減調整する。具体的には、空燃比がリッチであると判定している間、制御中心補正量ＦＡＣＦを単位時間（または、制御サイクル、演算サイクル）あたりリーン積分値ＦＡＣＦＫＩＭだけ逓減させる一方、空燃比がリーンであると判定している間は、制御中心補正量ＦＡＣＦを単位時間あたりリッチ積分値ＦＡＣＦＫＩＰだけ逓増させる。

既に述べた通り、制御中心補正量ＦＡＣＦが減少すると、空燃比制御中心はリーンへと向かう。逆に、制御中心補正量ＦＡＣＦが増加すると、空燃比制御中心はリッチへと向かう。

また、ＥＣＵ０は、空燃比フィードバック制御を通じて演算した燃料噴射量の補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦを学習し、以後の制御に活用する。ＥＣＵ０は、ある運転領域下において、補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦが十分調整されて変化しなくなった、即ち補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦの単位時間あたりの変化量が０ないし所定値未満である期間が所定以上継続したときに、当該補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦを、そのときの内燃機関の運転領域［エンジン回転数，サージタンク３３内吸気圧］を示すパラメータと関連付けてメモリに記憶保持する。

しかる後、再び同じ運転領域に遷移した際には、先にメモリに記憶保持した（現在の運転領域に関連付けられている）補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦの学習値を読み出し、当該学習値を用いて燃料噴射量を補正する。これにより、速やかに燃料噴射量Ｔを運転領域に対応した好適値に制御でき、ガスの空燃比が目標空燃比から逸脱している時間が短縮されて、エミッションの一層の良化及び燃費性能の向上に奏効する。

なお、空燃比フィードバック制御において演算する補正量ＦＡＦ、ＦＡＣＦの変動には一定のガードをかける。即ち、図１１に示すように、直近の補正量ＦＡＦに積分値ＫＩＰを加算することで上限ガード値を上回ってしまう場合には補正量ＦＡＦを上限ガード値にクリップし、直近の補正量ＦＡＦから積分値ＫＩＭを減算することで下限ガード値を下回ってしまう場合には補正量ＦＡＦを下限ガード値にクリップする。

同様に、図１２に示すように、直近の補正量ＦＡＣＦに積分値ＦＡＣＦＫＩＰを加算することで上限ガード値を上回ってしまう場合には補正量ＦＡＣＦを上限ガード値にクリップし、直近の補正量ＦＡＣＦから積分値ＦＡＣＦＫＩＭを減算することで下限ガード値を下回ってしまう場合には補正量ＦＡＣＦを下限ガード値にクリップする。

燃料噴射量の補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦがガード値にクリップされているときには、当該補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦを学習値としてメモリに記憶することは行わない。

補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦに対する上限ガード値及び下限ガード値は、内燃機関の構成部材のばらつきその他による内燃機関個体毎の特性の違いや、内燃機関の運転領域の遷移、一時的な不調等を考慮したものであり、補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦが極端な値をとらないようにするために予防的に設けている。仮に、燃料噴射量の補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦに全くガードをかけず、補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦの変動範囲を規制しないとすると、内燃機関の運転領域が遷移する過渡期等に混合気の燃焼が不安定となり、ショックが発生してドライバビリティに悪影響を及ぼすリスクが生じる。そのようなリスクを解消するべく、ガード値によって補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦの変動範囲を規制している。

要求ＥＧＲ率、即ち気筒１に充填される混合気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率に対する要求値は、内燃機関の負荷が中程度の中負荷領域において最も高く、そこから負荷が減少するほど低下し、また負荷が増大するほど低下する。アイドル運転またはこれに近い低負荷運転領域や、アクセル開度が全開または全開に近い高負荷（または、全負荷）運転領域では、要求ＥＧＲ率は０となり、ＥＧＲバルブ２３の開度も０となる。

吸気バルブの開閉タイミングは、内燃機関の始動時、アイドリング時及び低負荷運転領域に、最も遅角したタイミングである最遅角位置をとる。最遅角位置では、各気筒１の吸気バルブが当該気筒１の排気上死点またはその近傍のタイミングにて開き、吸気下死点後所定のクランク角度が経過した（クランクシャフトが当該クランク角度回転した）タイミングにて閉じる。

中負荷ないし高負荷の運転領域では、ＶＶＴ機構６を介して吸気バルブタイミングを最遅角位置から進角させる。尤も、高回転運転領域域では、エンジン回転数が高くなるほど吸気バルブの閉弁タイミングを遅らせることが好ましい。

吸気バルブタイミングの進角は、吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁するバルブオーバーラップ期間の拡大を意味する。吸気バルブタイミングの進角量が大きいと、吸気行程において気筒１に残留する内部ＥＧＲガス量が増加し、気筒１に充填される新気量が減少する。それ故、燃料噴射量の基本量ＴＰは、吸気バルブタイミングの進角量を考慮して決定する必要がある。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，サージタンク３３内吸気圧］、ＥＧＲバルブ２３の開度及び吸気バルブタイミングの進角量等と、基本噴射量ＴＰとの関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域、ＥＧＲバルブ２３の開度及び吸気バルブタイミングの進角量等をキーとして当該マップを検索し、設定するべき基本噴射量ＴＰを得る。

ＶＶＴ機構６が具現している吸気バルブタイミングの進角量は、クランク角センサが出力するクランク角信号ｂ及びカム角センサが出力するカム角信号ｈを参照して知得する。図６に示すように、クランク角センサは、クランクシャフトに固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータ７５の回転角度をセンシングするものである。そのロータ７５には、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度毎に、歯または突起７６が形成されている。典型的には、クランクシャフトが１０°ＣＡ回転する毎に、歯または突起７６が配置される。

クランク角センサは、ロータ７５の外周に臨み、個々の歯または突起７６が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度クランク角信号ｂとして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。クランク角信号ｂは、現在のクランクシャフトの回転角度であるクランク角度、そして各気筒１のピストンの現在位置を表す。

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。クランクシャフトのロータ７５の歯または突起７６は、その一部が欠けている。図６に示す例では、十七番目、十八番目及び二十番目、二十一番目の欠歯部分７６１、並びに、三十五番目、三十六番目の欠歯部分７６２という、大きく分けて二つの欠歯部分７６１、７６２が存在する。欠歯部分７６１、７６２はそれぞれ、クランクシャフトの特定の回転位相角に対応する。即ち、連続する欠歯部分７６１は１８０°ＣＡ及び５４０°ＣＡに対応しており、単独の欠歯部分７６２は０°及び３６０°ＣＡに対応している。

そして、図８に示しているように、上記の欠歯部分７６１、７６２に起因して、クランク角信号ｂのパルス列もまた一部が欠損する。この欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度を知ることが可能である。欠損した三十六番目のパルスの次の一番目のパルスのタイミングを０°ＣＡ（または、３６０°ＣＡ）とおくと、欠損した十八番目のパルスに続く十九番目のパルスのタイミングが１８０°ＣＡ（または、５４０°ＣＡ）ということになる。上記の０°ＣＡのパルスのタイミングは、特定の気筒（図示例では、第二気筒）１の圧縮上死点に略等しい。

図７に示すように、カム角センサもまた、吸気カムシャフトに固定されカムシャフトと一体となって回転するロータ７７の回転角度をセンシングするものである。そのロータ７７には、少なくとも吸気カムシャフトの一回転を気筒数で割った角度毎に、歯または突起７８が形成されている。三気筒エンジンの場合、吸気カムシャフトが１２０°回転する毎に、歯または突起７８が配置される。

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二分の一である。故に、上記の歯または突起７８は、クランク角度に換算すれば２４０°ＣＡ毎に配置されていることになる。

加えて、本実施形態においては、ロータ７７に、追加的なカム角信号ｈを発生させるための歯または突起７９が、２４０°ＣＡ毎の歯または突起７８の間に一つ設けられる。

カム角センサは、ロータ７７の外周に臨み、個々の歯または突起７８、７９が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度カム角信号ｈとしてパルス信号を発信する。ＥＣＵ０は、このパルスをカム角信号ｈとして受信する。

歯または突起７８に起因して発生する基本カム角信号ｈは、何れかの気筒１が所定の行程に至ったことを表す。図８に示しているように、この基本カム角信号ｈは、各気筒１における圧縮上死点から所定クランク角度（３０°ＣＡないし８０°ＣＡの範囲内の値）だけ進角側に偏倚したタイミングに位置しており、ＶＶＴ機構６を介して操作される吸気バルブタイミングをも示唆する。

また、歯または突起７９に起因して発生する追加カム角信号ｈは、各気筒１の行程を判別するための補助となる。図７及び図８に示している例では、第一気筒１の圧縮上死点の近傍を表す基本カム角信号ｈのパルスから６０°ＣＡ進角したタイミングに、追加カム角信号ｈのパルスが存在している。クランク角信号ｂのパルス列から明らかとなる６０°ＣＡの間隔を隔ててこれら二つのカム角信号ｈのパルスを連続して受信したとき、後者のパルスの直後が第一気筒１の圧縮上死点であることが分かる。

カム角信号ｈの出力タイミングは、吸気バルブタイミングと同期している。即ち、カム角信号ｈのパルスと、各気筒１における吸気バルブの開閉タイミングとの位相差は一定不変である。従って、カム角信号ｈが出力されるときのクランク角度の値が、ＶＶＴ機構６により具現された吸気バルブタイミングを表すこととなる。

尤も、内燃機関の構成部材（特に、スプロケット７１、７２、７３やタイミングチェーン７４、ロータ７５、７７等）には、個体差が存在している。そのため、カム角信号ｈの発生タイミングと吸気バルブタイミングとの位相差が内燃機関個体毎にばらつき、カム角信号ｈの発生タイミングと具体的なクランク角度の値との関係もまた内燃機関個体毎にばらつく。

よって、吸気バルブタイミングの進角量を正しく把握するためには、吸気バルブタイミングを最も遅角したタイミングに復帰させた状態でのカム角信号ｈの発生タイミングを予め学習しておく必要がある。図９に示すように、ＥＣＵ０は、アクセルペダルの踏込量が０またはほぼ０であるアイドル運転時に、ＶＶＴ機構６を介して吸気バルブタイミングを最も遅角したタイミングに操作するとともに、カム角信号ｈが出力されたときのクランク角度の値を取得し、これをＶＶＴ機構６の最遅角位置を表す基準クランク角度αとしてメモリに記憶保持する。

そして、以後の制御において、内燃機関の運転領域等に応じて吸気バルブタイミングを最遅角位置から適宜進角させつつ、カム角信号ｈが出力されるタイミングのクランク角度と上記の基準クランク角度αとの差分を演算して、現在ＶＶＴ機構６が具現している吸気バルブタイミングの最遅角位置からの進角量を得る。

一例を挙げると、現在−７５°ＣＡ（０°ＣＡから７５°ＣＡ分進角）のタイミングでカム角信号ｈのパルスが出力されており、内燃機関のアイドリング中に学習した基準クランク角度αが−３５°ＣＡ（０°ＣＡから３５°ＣＡ分進角）であるとき、吸気バルブタイミングは最遅角位置から４０°ＣＡ進角しているということになる。

ところで、ハウジング６１とロータ６２との間に異物が噛み込む等により、吸気バルブタイミングが最遅角位置から進角したままでＶＶＴ機構６が固着してしまうことがある。その状態で、上述の基準クランク角度αの学習が実行されると、以後の制御において吸気バルブタイミングの進角量を過小評価する結果を招く。

仮に、カム角信号ｈのパルスが−７５°ＣＡのタイミングで出力されるような進角状態でＶＶＴ機構６が固着し、ロータ６２の回動操作が不能となったとする。このときに学習される基準クランク角度αは、−７５°ＣＡとなる。但し、基準クランク角度αの誤学習による悪影響を緩和するため、基準クランク角度αの学習値にガードをかけることができる。基準クランク角度αのガード値を−５５°ＣＡ（０°ＣＡから５５°ＣＡ分進角）に設定した場合、−７５°ＣＡはこのガード値を超越することから、基準クランク角度αの学習値がガード値である−５５°ＣＡにクリップされる。この学習値−５５°ＣＡは、本来あるべき基準クランク角度αの真値−３５°ＣＡとは相異するが、−７５°ＣＡよりは真値に近い。

その後の内燃機関の制御でも、カム角信号ｈが出力されるタイミングのクランク角度と基準クランク角度αとの差分を演算して、吸気バルブタイミングの最遅角位置からの進角量を得ることに変わりはない。従って、現在−７５°ＣＡのタイミングでカム角信号ｈのパルスが出力されているとすると、ＥＣＵ０は、現在の吸気バルブタイミングの進角量を、基準クランク角度αの学習値にガードをかけていなければ０°ＣＡに見積もってしまう。だが、基準クランク角度αにガードをかけてあれば、基準クランク角度αが−５５°ＣＡに定められるので、現在の吸気バルブタイミングの進角量を２０°ＣＡに見積もることとなる。つまり、ガードにより、吸気バルブタイミングの進角量の誤差が小さくなる。

とは言え、現実の吸気バルブタイミングはその本来の最遅角位置から４０°ＣＡ進角しているのであるから、上掲の０°ＣＡまたは２０°ＣＡという進角量の値は不適正である。そして、この吸気バルブタイミングの進角量の過小評価は、内部ＥＧＲ量の過小評価につながり、実際に気筒１に充填される新気量に対して過剰な量の基本噴射量ＴＰを設定することと相成る。そして、基本噴射量ＴＰの過大化が、空燃比フィードバック制御（の補正量ＦＡＦ、ＦＡＣＦ）により補正できる範囲を超えると、有害物質の排出量が増大する上、燃焼不良または失火が生じることも懸念される。

そこで、本実施形態では、ＶＶＴ機構６が固着して吸気バルブタイミングを最も遅角したタイミングに復帰させ得ない状態に陥ったことを感知した場合、空燃比フィードバック制御における燃料噴射量の補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦの変動範囲を拡張するように、当該補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦに対するガード値を変更するようにしている。

図１０に、本実施形態のＥＣＵ０がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、ＶＶＴ機構６が最遅角位置から進角したまま固着している可能性を検知したときに（ステップＳ１）、タイマをカウントアップし（ステップＳ２）、そのタイマが所定値に到達したとき（ステップＳ３）、即ち所定時間の経過を待ってもＶＶＴ機構６の固着が解消されなかったときに、空燃比フィードバック制御による燃料噴射量の補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦに対するガード値の修正を開始する（ステップＳ４ないしＳ６）。

ステップＳ１にて、ＶＶＴ機構６が固着している可能性があると判断するための条件は、以下の通りである。
・内燃機関のアイドリング中に学習を実行して得られた基準クランク角度α（の絶対値）が所定値（例えば、−５５°ＣＡ）以上、または基準クランク角度αの学習値をガード値にクリップした
・カム角信号ｈが出力されるタイミングのクランク角度と基準クランク角度αとの差分を演算して得られる（いわば、実測の）吸気バルブタイミングの進角量が、内燃機関の運転領域等に応じて要求される（いわば、目標の）吸気バルブタイミングの進角量から所定値（例えば、５°ＣＡ分）以上乖離している
・カム角信号ｈが出力されるタイミングのクランク角度と基準クランク角度αとの差分を演算して得られる吸気バルブタイミングの進角量が不変
・フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆの電圧が所定値以上、及び／または、リアＯ₂センサ４４の出力信号ｇの電圧が所定値以上。即ち、空燃比が所定値を超えてリッチ
・空燃比フィードバック補正量ＦＡＦがその下限ガード値に張り付き、及び／または、空燃比フィードバック補正量ＦＡＣＦがその下限ガード値に張り付いている
ＥＣＵ０は、上に列挙した条件のうちの少なくとも一つが成立している場合に、ＶＶＴ機構６が固着している可能性があると判断する。

ＥＣＵ０は、ステップＳ３が真となったことを以て、ＶＶＴ機構６が固着して吸気バルブタイミングを最も遅角したタイミングに復帰させ得ない状態に陥ったと見なす。そして、燃料噴射量の補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦに対するガード値の修正を試行する。

燃料噴射量の補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦに対するガード値を修正するにあたっては、一回の修正機会毎に、所定量だけ当該ガード値を変更する（ステップＳ４）。図１１及び図１２中の期間Ｔに示しているように、本実施形態のＥＣＵ０は、ステップＳ４にて、燃料噴射量の減量補正にかかわる下限ガード値を所定量ずつ引き下げてゆく。また、当該ガード値の修正を行った回数をカウントする（ステップＳ５）。しかして、これらステップＳ４及びＳ５を、それ以上ガード値の修正が必要ないと判断されるまで反復する（ステップＳ６）。

ステップＳ６にて、燃料噴射量の補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦに対するガード値のこれ以上の修正が必要でないと判断するための条件は、以下の通りである。
・内燃機関のアイドリング中に学習を実行して得られた基準クランク角度α（の絶対値）が所定値（例えば、−５５°ＣＡ）未満となった、または基準クランク角度αの学習値がガード値を超えなくなった
・カム角信号ｈが出力されるタイミングのクランク角度と基準クランク角度αとの差分を演算して得られる（いわば、実測の）吸気バルブタイミングの進角量と、内燃機関の運転領域等に応じて要求される（いわば、目標の）吸気バルブタイミングの進角量との乖離が所定値（例えば、５°ＣＡ分）未満となった
・カム角信号ｈが出力されるタイミングのクランク角度と基準クランク角度αとの差分を演算して得られる吸気バルブタイミングの進角量が変化するようになった
・フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆの電圧が所定値未満、及び／または、リアＯ₂センサ４４の出力信号ｇの電圧が所定値未満。即ち、空燃比が所定値を超えてリッチではなくなった
・空燃比フィードバック補正量ＦＡＦがその下限ガード値よりも大きくなった、及び／または、空燃比フィードバック補正量ＦＡＣＦがその下限ガード値よりも大きくなった
上に列挙した条件は、ハウジング６１とロータ６２との間に噛み込んでいた異物が脱離した等によりＶＶＴ機構６の固着が解消された、あるいは、空燃比フィードバック制御を通じて混合気の空燃比を目標空燃比に追従させることが可能となったときに成立する。ＥＣＵ０は、上に列挙した条件のうちの少なくとも一つが成立した場合に、補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦに対するガード値の修正を終了する。

ステップＳ５にてカウントしたガード値の修正回数は、ＶＶＴ機構６が固着した当初のガード値と修正後のガード値との変化量を示唆する。言うまでもなく、ステップＳ４におけるガード値の修正量（下限ガード値の引き下げ量）に、ステップＳ５でカウントした修正回数を乗じれば、当初のガード値からの変化量即ち総修正量を得られる。上記の修正回数または総修正量は、ＶＶＴ機構６が最遅角位置からどれだけのクランク角度進角した位置で固着したのかを示唆している。

本実施形態では、吸気バルブタイミングを変更可能なＶＶＴ機構６が付帯した内燃機関を制御する制御装置（ＥＣＵ）０であって、排気通路４上に設けた空燃比センサ４３、４４の出力信号ｆ、ｇを参照し、排気通路４を流れるガスの空燃比と目標空燃比とを比較して燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を実施するものであり、空燃比フィードバック制御における燃料噴射量の補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦの変動範囲をガード値によって規制するとともに、ＶＶＴ機構６が固着して吸気バルブタイミングを最も遅角したタイミングに復帰させ得ない状態に陥ったことを感知した場合には、空燃比フィードバック制御における燃料噴射量の補正量ＦＡＦ及び／またはＦＡＣＦの変動範囲を拡張するようにガード値を変更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、吸気ＶＶＴ機構６の最遅角位置を表す基準クランク角度αを誤学習してしまったとしても、空燃比フィードバック制御による燃料噴射量の補正幅をＶＶＴ機構６が固着していない平常時よりも拡張する（特に、下限ガード値を引き下げる）ことで、燃料噴射量Ｔを十分に補正してこれを気筒１に充填される新気量に見合う量に近づけることができる。さすれば、空燃比の過剰なリッチが解消されて、有害物質の排出量の増大が抑止される。

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。例えば、上記実施形態における吸気ＶＶＴ機構６は、作動液圧（油圧）により吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相角を変化させるベーン式のものであったが、その回転位相角の変化を電動機によって実現するモータドライブＶＶＴを吸気ＶＶＴ機構６として採用しても構わない。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、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）
４…排気通路
４３、４４…空燃比センサ（フロントＯ₂センサ、リアＯ₂センサ）
６…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構
ｂ…クランク角信号
ｆ、ｇ…空燃比センサの出力信号（空燃比信号）
ｈ…吸気バルブタイミング（カム角）信号
α…基準クランク角度

Claims (1)

1. 吸気バルブタイミングを変更可能な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制御装置であって、
   排気通路上に設けた空燃比センサの出力信号を参照し、排気通路を流れるガスの空燃比と目標空燃比とを比較して燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を実施するものであり、
   空燃比フィードバック制御における燃料噴射量の補正量の変動範囲をガード値によって規制するとともに、
   可変バルブタイミング機構が固着して吸気バルブタイミングを最も遅角したタイミングに復帰させ得ない状態に陥ったことを感知した場合には、空燃比フィードバック制御における燃料噴射量の補正量の変動範囲を拡張するようにガード値を変更する内燃機関の制御装置。

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