JP5096096B2 - 可変動弁機構の制御装置 - Google Patents
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Description
しかし、デューティが100%の状態では、モータなどの電動アクチュエータや該電動アクチュエータの駆動回路の発熱量が多く、100%の状態を長く放置すると、正常であった電動アクチュエータや駆動回路に不具合を生じさせてしまうという問題があり、前記継続期間から異常診断を行う場合の判定時間は短くすることが望まれる。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、電動アクチュエータや駆動回路の発熱による2次故障が発生する前に故障の発生を判定させつつ、通常の制御で通電操作量が一時的に大きくなっても、故障の発生が誤診断されることがない、可変動弁機構の制御装置を提供することを目的とする。
図1において、内燃機関101は、左右2つのバンク(気筒グループ)からなるV型機関である。
但し、内燃機関101をV型に限定するものではなく、直列機関、水平対向機関であっても良い。
前記内燃機関101の吸気管102には、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を通過した空気は、各バンクに分配された後、更に、各気筒に分配される。
燃焼排気は、燃焼室106から排気バルブ107を介して排出された後、バンク毎に排気が集合され、バンク毎に設けられるフロント触媒コンバータ108a,108b及びリア触媒コンバータ109a,109bで浄化される。
前記リア触媒コンバータ109a,109bで浄化された後のバンク毎の排気は、合流してマフラーに103に流入し、その後大気中に放出される。
一方、吸気バルブ(機関弁)105のバルブリフト量(開弁特性)を作動角と共に連続的に可変とする可変バルブリフト機構112a,112bがバンク毎に設けられる。
前記可変バルブタイミング機構113a,113bは、クランク軸に対する吸気バルブ駆動軸(吸気側カムシャフト)の回転位相を変化させることで、吸気バルブ105の作動角の中心位相を連続的に可変とする。
前記電子制御ユニット114には、内燃機関101の吸入空気流量を検出するエアフローセンサ115(流量計)、アクセルペダルの踏み込み量(アクセル開度)を検出するアクセルセンサ116、クランク軸の回転角を検出するクランク角センサ117、電子制御スロットル104の開度TVOを検出するスロットルセンサ118、内燃機関101の潤滑油温度を検出する温度センサ119、各バンクの空燃比を検出する空燃比センサ111a,111b等からの検出信号が入力される。
前記燃料噴射弁131には、燃料タンク132内の燃料が燃料ポンプ133により圧送され、該燃料噴射弁131が、前記電子制御ユニット114からの噴射パルス信号(空燃比制御信号)によって開弁駆動されると、噴射パルス幅(開弁時間)に比例する量の燃料が内燃機関101に噴射される。
本実施形態の内燃機関101は、各気筒に一対の吸気バルブ105,105が設けられており、これら吸気バルブ105,105の上方に、クランク軸によって回転駆動される吸気バルブ駆動軸3が気筒列方向に沿って回転可能に支持されている。
前記吸気バルブ駆動軸3と揺動カム4との間には、吸気バルブ105の作動角及びバルブリフト量を連続的に変更する可変バルブリフト機構(可変動弁機構)112a,112bが設けられている。
前記可変バルブリフト機構112a,112bは、図2及び図3に示すように、吸気バルブ駆動軸3に偏心して固定的に設けられる円形の駆動カム11と、この駆動カム11に相対回転可能に外嵌するリング状リンク12と、吸気バルブ駆動軸3と略平行に気筒列方向へ延びる制御軸13と、この制御軸13に偏心して固定的に設けられた円形の制御カム14と、この制御カム14に相対回転可能に外嵌すると共に、一端がリング状リンク12の先端に連結されたロッカアーム15と、このロッカアーム15の他端と揺動カム4とに連結されたロッド状リンク16と、を有している。
尚、前記モータとしては、例えばDCモータが用いられる。
上記の構成により、クランク軸に連動して吸気バルブ駆動軸3が回転すると、駆動カム11を介してリング状リンク12がほぼ並進移動するとともに、ロッカアーム15が制御カム14の軸心周りに揺動し、ロッド状リンク16を介して揺動カム4が揺動して吸気バルブ105が開閉駆動される。
これにより、吸気バルブ105の作動角の中心位相を略一定としたままで、吸気バルブ105の作動角及びバルブリフト量が連続的に増減変化する。
但し、可変バルブリフト機構112a,112bの構造は、図2,3に示したものに限定されない。
前記可変バルブタイミング機構113a,113bは、クランク軸と同期して回転するスプロケット25に固定され、このスプロケット25と一体的に回転する第1回転体21と、ボルト22aにより前記吸気バルブ駆動軸3の一端に固定され、吸気バルブ駆動軸3と一体的に回転する第2回転体22と、ヘリカルスプライン26により第1回転体21の内周面と第2回転体22の外周面とに噛合する筒状の中間ギア23と、を有している。
前記中間ギア23は、ねじりスプリング29によって遅角方向(図4の左方向)へ付勢されており、電磁リターダ24に電圧を印加して磁力を発生すると、ドラム27及びネジ28を介して進角方向(図4の右方向)へ動かされる。
前記モータ17及び電磁リターダ24は、前記電子制御ユニット114からの制御信号により駆動制御される。
本実施形態では、モータ17への電源供給のオン・オフ比率であるデューティ(オン時間割合)を制御して、モータ17への平均印加電圧を調整するようになっており、前記デューティがモータ17の通電操作量に相当する。
前記電子制御ユニット114には、バッテリ141の電圧VBが供給されるモータ駆動回路が内蔵され、該モータ駆動回路はデューティ制御信号に応じて前記モータ17へのバッテリ電源の供給をオン・オフする。
更に、前記電子制御ユニット114は、前記可変バルブリフト機構(可変動弁機構)112a,112bの故障診断機能をソフトウエアとして備えており、以下では、前記故障診断を詳細に説明する。
まず、ステップS101では、前記フィードバック制御によって決定された、前記モータ17の通電を制御するデューティを読み込む。
デューティが100%の状態は、最大電圧がモータ17に印加される状態であり、通常は、一時的にデューティが100%になることがあっても、目標角度と実角度との偏差が漸減することでデューティが減少補正されるため、デューティ=100%の状態が長く継続することはない。
そして、制御偏差が減らないと、積分動作によってデューティが逐次増大されて、最終的には、100%に張り付く状態になるから、デューティ=100%の状態が長くなった場合には、可動部分における異物の噛み込みや変形のような故障の発生を推定できる。
尚、デューティの最大値が、100%未満に制限されている場合には、制限範囲内の最大値を閾値とし、この閾値に一致しているか否かを判断させることになり、また、最大値近傍の値(最大値が100%である場合、例えば90%)を閾値とし、この閾値以上であるか否かを判断させることができる。
ステップS103で、デューティが100%であると判断されると、ステップS103へ進み、デューティが100%を保持している継続時間を計測する。
次のステップS104では、デューティが100%を保持している間におけるバッテリ141の平均電圧(平均電源電圧)を算出する。
ステップS105では、前記平均電圧に基づいて、デューティが100%を保持している継続時間から、故障の有無を判定するための判定時間(判定期間)を設定する。
平均電圧に基づいて前記判定時間を設定させることで、電源電圧が変動することがあっても、モータ17等の発生熱量に見合った判定時間を設定させることが可能となる。
図6に示す例は、予め設定された2値の判定時間のうちのいずれを選択するかを、前記平均電圧の大きさに応じて決定するものであり、平均電圧が高い領域では、短い方の判定時間を選択し、平均電圧が低い領域では、長い方の判定時間を選択するものであり、判定時間の設定処理を簡便に行える。
また、モータ17の印加電圧が高いほど、モータ17の回転力(トルク)は大きく、回転力が大きければ、制御軸13の動き出しが早まるはずであり、低電圧のときよりも、デューティが100%に張り付いている時間が短い状態で故障の発生が推定される。
従って、前記平均電圧に応じた判定時間は、発熱による2次故障の発生を回避できる範囲内の最大時間付近に設定してある。
上記のように、テーブルから判定時間を求める構成であれば、平均電圧(電源電圧)の変化に対してより細かく判定時間を変化させることができ、かつ、平均電圧と判定時間との相関が簡易な式で近似できない場合であっても対応でき、2次故障の回避と診断精度とを高い次元で両立させることができる。
平均電圧に対して判定時間を略比例的に変化させる場合であれば、上記のように係数の乗算によって判定時間を求めるようにすれば、判定時間の設定を簡易に行える。
尚、上記では、デューティが100%の状態での平均電圧に基づいて判定時間を設定させたが、簡易には、そのときのバッテリ電圧(電源電圧)に応じて判定時間を逐次設定させたり、デューティが100%に到達した時点でのバッテリ電圧(電源電圧)を記憶しておいて、該記憶値に基づいて判定時間を設定させたりすることができる。これは、電源電圧を用いて判定時間を設定する後述する他の実施形態においても同様である。
前記継続時間が判定時間未満であれば、可変バルブリフト機構112a,112bは正常であるものの、制御偏差が大きいために一時的にデューティが100%になっている可能性があるので、故障判定を行うことなくそのまま本ルーチンを終了させる。
尚、前記デューティを強制的に0%にして、モータ17への電源供給を遮断するのではなく、そのときの電源電圧で耐熱限界を超えることのないデューティ以下に制限して、モータ17への電圧印加を継続させることができる。
最小バルブリフト量若しくは最小バルブリフト量近傍の予め決められた値を目標としてモータ17への電源供給を続けることで、時間を要するものの目標にまで変化させることができる場合、吸気バルブ105のバルブリフト量を小さい値に変化させて、吸入空気量を絞ることで、機関101の出力が制限され、フェイルセーフを図ることができる。
更に、ステップS110では、スロットル開度、燃料噴射量、点火時期の固定又は制限によって機関出力を制限する。
また、バルブリフト量が中程度以下の位置で制御軸13が動かなくなった場合には、スロットル開度の制御で機関101の吸入空気量を制御させることが可能である。
そこで、このような場合には、バンク間に過剰な発生トルクの差が生じない範囲で、正常なバンクにおけるバルブリフト量を故障したバンクにおけるバルブリフト量よりも大きくして、トルク不足の抑制を図ることができる。
ステップS201では、デューティを読み込み、ステップS202では、前記デューティが100%であるか否かを判断する。
次のステップS204では、温度センサ119で検出された内燃機関101の潤滑油温度を読み込む。
尚、温度センサ119によって内燃機関101の冷却水温度を検出させ、潤滑油温度に代えて冷却水温度をステップS205で読み込ませることができる。
前記潤滑油温度(又は冷却水温度)は機関温度を代表するものであって、かつ、モータ17の雰囲気温度に相関する温度であり、前記潤滑油温度(又は冷却水温度)が高いほど前記判定時間を短く設定する。
潤滑油温度(又は冷却水温度)に基づく判定時間の設定処理として、図9に示すように、判定時間を前記潤滑油温度(又は冷却水温度)に基づいて2値のうちのいずれかを選択させることができ、潤滑油温度(又は冷却水温度)が高い領域では、短い方の判定時間を選択し、潤滑油温度(又は冷却水温度)が低い領域では、長い方の判定時間を選択する。
上記のように、テーブルから判定時間を求める構成であれば、潤滑油温度(又は冷却水温度)の変化に対してより細かく判定時間を変化させることができ、かつ、潤滑油温度(又は冷却水温度)と判定時間との相関が簡易な式で近似できない場合であっても対応できる。
潤滑油温度(又は冷却水温度)に対して判定時間を略比例的に変化させる場合であれば、上記のように係数の乗算によって判定時間を求めるようにすれば、判定時間の設定を簡易に行える。
ステップS206では、デューティが100%を保持している継続時間が、潤滑油温度(又は冷却水温度)に基づき設定した判定時間以上であるか否かを判別し、前記継続時間が判定時間以上であれば、ステップS207へ進んで故障判定を行う。
図11のフローチャートは、前記故障診断の第3実施形態を示し、モータ17の電源電圧と、モータ17の雰囲気温度に相関する潤滑油温度(又は冷却水温度)とから、判定時間(判定期間)を設定することを特徴とするもので、図5のフローチャートに示した第1実施形態と同じ処理を行うステップについては簡略に説明する。
前記デューティが100%であれば、ステップS303へ進み、デューティが100%を保持している継続時間を計測する。
ステップS304では、前記ステップS104と同様に、デューティが100%を保持している間におけるバッテリ141の平均電圧(平均電源電圧)を算出する。
尚、温度センサ119によって内燃機関101の冷却水温度を検出させ、潤滑油温度に代えて冷却水温度をステップS305で読み込ませることができる。
ステップS306では、平均電圧及び潤滑油温度(又は冷却水温度)に基づいて判定時間を設定する。
平均電圧及び潤滑油温度(又は冷却水温度)に基づく判定時間の設定処理として、図12に示すように、平均電圧と潤滑油温度(又は冷却水温度)とで規定される2次元領域を、短い判定時間を選択する領域と、長い判定時間を選択する領域とに区分し、そのときの平均電圧及び潤滑油温度(又は冷却水温度)がいずれの領域に該当するかで、2つの判定時間のうちの一方を選択させることができる。
ここでも、基本的には、平均電圧が高いほど、また、潤滑油温度(又は冷却水温度)が高いほど、判定時間が短くなるように、マップデータが設定される。
更に、図14に示すように、潤滑油温度(又は冷却水温度)が高いほど係数を小さく設定し、前記係数を平均電圧に乗算した結果を判定時間とすることで、平均電圧が高いほど、また、潤滑油温度(又は冷却水温度)が高いほど、短い判定時間を設定させることができる。
ステップS306で、判定時間を平均電圧及び潤滑油温度(又は冷却水温度)に基づいて設定すると、ステップS307では、デューティが100%に保持されている継続時間が、ステップS306で設定した判定時間以上であるか否かを判断する。
ステップS309〜ステップS311では、ステップS108〜ステップS110と同様なフェイルセーフ処理を実行する。
図15のフローチャートは、前記故障診断の第4実施形態を示し、内燃機関101が始動状態であるか否かに基づいて判定時間(判定期間)を設定することを特徴とするもので、図5のフローチャートの第1実施形態と同じ処理を行うステップについては簡略に説明する。
前記デューティが100%であれば、ステップS403へ進み、デューティが100%を保持している継続時間を計測する。
次のステップS404では、内燃機関101の始動状態の判定を行う。
また、機関回転速度や機関回転速度の加速度などから、内燃機関101の完爆判定(自発運転の開始)を行い、完爆判定前を始動状態であると判定し、完爆判定後を非始動状態と判定することができる。
ステップS405では、前記ステップS404における始動状態の判定結果に基づいて、判定時間の設定を行う。
始動中は、機関で駆動されるオルタネータの発電量が少ない上に、スタータモータによる電力消費が大きく、バッテリ141の電圧は始動後よりも低くなるため、デューティが100%に張り付く状態でのモータ17の発熱量が低く、更に、始動状態ではモータ17の温度及びモータ17の雰囲気温度は始動後よりも低いので、判定時間を長くしても、モータ17の耐熱限界を超えることを回避できる。
ステップS406では、デューティが100%を保持している継続時間が、始動状態の判定に基づき設定した判定時間以上であるか否かを判別し、前記継続時間が判定時間以上であれば、ステップS407へ進んで故障判定を行う。
図17のフローチャートは、前記故障診断の第5実施形態を示し、モータ17の温度を検出する温度センサ142(図2参照)を設け、該温度センサ142で検出されるモータ17の温度に基づいて判定時間(判定期間)を設定することを特徴とするもので、図5のフローチャートの第1実施形態と同じ処理を行うステップについては簡略に説明する。
前記デューティが100%であれば、ステップS503へ進み、デューティが100%を保持している継続時間を計測する。
次のステップS504では、温度センサ142で検出されたモータ17の温度を読み込む。
モータ17に電圧を印加し続けると、モータ17やモータ17の駆動回路が発熱するが、モータ17の温度が高いほど、モータ17・駆動回路の温度が高くなり易く、モータ17や駆動回路の耐熱限界を超え易くなり、正常であったモータ17や駆動回路を損傷させてしまう2次故障を生じさせてしまうことになる。
モータ17の温度に基づく判定時間の設定処理として、図18に示すように、前記モータ温度に基づいて2値の判定時間うちのいずれかを選択させることができ、モータ温度が高い領域では、短い方の判定時間を選択し、モータ温度が低い領域では、長い方の判定時間を選択する。
上記のように、テーブルから判定時間を求める構成であれば、モータ温度の変化に対してより細かく判定時間を変化させることができ、かつ、モータ温度と判定時間との相関が簡易な式で近似できない場合であっても対応できる。
モータ温度に対して判定時間を略比例的に変化させる場合であれば、上記のように係数の乗算によって判定時間を求めるようにすれば、判定時間の設定を簡易に行える。
尚、モータ温度に基づき判定時間を設定する場合に、デューティが100%を保持している間の温度平均値を求め、該平均値に基づいて判定時間を設定させることができる。
ステップS508〜ステップS510では、ステップS108〜ステップS110と同様なフェイルセーフ処理を実行する。
また、上記実施形態では、電動アクチュエータを用いて内燃機関の機関弁の開弁特性を変更する可変動弁機構として、吸気バルブのバルブリフト量及び作動角を、モータを用いて可変とする可変バルブリフト機構を示したが、機関弁は排気バルブであっても良く、また、機関弁の作動角の中心位相を、電動アクチュエータを用いて可変とする可変バルブタイミング機構や、カムの切り替えを電動アクチュエータによって行う可変動弁機構であっても良く、電動アクチュエータには、モータの他、ソレノイドや電磁リターダなど公知の電動アクチュエータが含まれる。
Claims (5)
- 電動アクチュエータを用いて内燃機関の機関弁の開弁特性を変更する可変動弁機構の制御装置であって、
前記開弁特性の目標値と実際の開弁特性とに基づいて前記電動アクチュエータの通電操作量を設定する制御手段と、
前記通電操作量が閾値以上の状態が判定期間以上に継続したときに、前記可変動弁機構における故障の発生を判定する診断手段と、
前記判定期間を、前記電動アクチュエータの電源電圧が高いほど短く設定する判定期間設定手段と、
前記診断手段で前記可変動弁機構における故障の発生が判定された場合に、スロットルバルブの開度を制御して吸入空気量を絞り、前記内燃機関の出力を制限する出力制限手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする可変動弁機構の制御装置。 - 電動アクチュエータを用いて内燃機関の機関弁の開弁特性を変更する可変動弁機構の制御装置であって、
前記開弁特性の目標値と実際の開弁特性とに基づいて前記電動アクチュエータの通電操作量を設定する制御手段と、
前記通電操作量が閾値以上の状態が判定期間以上に継続したときに、前記可変動弁機構における故障の発生を判定する診断手段と、
前記判定期間を、前記電動アクチュエータの温度又は雰囲気温度が高いほど短く設定する判定期間設定手段と、
前記診断手段で前記可変動弁機構における故障の発生が判定された場合に、スロットルバルブの開度を制御して吸入空気量を絞り、前記内燃機関の出力を制限する出力制限手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする可変動弁機構の制御装置。 - 電動アクチュエータを用いて内燃機関の機関弁の開弁特性を変更する可変動弁機構の制御装置であって、
前記開弁特性の目標値と実際の開弁特性とに基づいて前記電動アクチュエータの通電操作量を設定する制御手段と、
前記通電操作量が閾値以上の状態が判定期間以上に継続したときに、前記可変動弁機構における故障の発生を判定する診断手段と、
前記判定期間を、前記内燃機関の始動後に比べて始動中により長く設定する判定期間設定手段と、
前記診断手段で前記可変動弁機構における故障の発生が判定された場合に、スロットルバルブの開度を制御して吸入空気量を絞り、前記内燃機関の出力を制限する出力制限手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする可変動弁機構の制御装置。 - 前記診断手段で前記可変動弁機構における故障の発生が判定された場合に、前記制御手段で設定される通電操作量を、そのときの電源電圧で前記電動アクチュエータの耐熱限界を超えることのない通電操作量以下に制限する操作量制限手段を更に含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の可変動弁機構の制御装置。
- 前記可変動弁機構が、前記機関弁の開弁特性としてのバルブリフト量を変更する機構であり、
前記診断手段で前記可変動弁機構における故障の発生が判定された場合に、前記バルブリフト量の目標値を、最小バルブリフト量若しくは最小バルブリフト量近傍の予め決められた値とする目標設定手段を更に含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の可変動弁機構の制御装置。
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