JP6220288B2 - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関のバルブタイミングを可変する可変バルブタイミング装置を制御する制御装置及び制御方法に関する。
特許文献1には、モータの回転トルクを利用してエンジンのバルブタイミングを調整するバルブタイミング調整装置であって、制御回路が生成した制御信号を受信し、前記制御信号が周波数により表すモータ回転数の目標値に基づきモータを通電駆動する駆動回路を備え、前記周波数が閾値未満になったときに前記モータへの通電を停止するようにしたバルブタイミング調整装置が開示されている。
特許第4269338号公報
ところで、制御指令の異常に基づき可変バルブタイミング装置のアクチュエータの駆動を停止すると、カム反力によってバルブタイミングが機械的なデフォルト位置(例えば、最遅角位置)にまで戻る場合がある。
しかし、制御指令の異常が検出されたときの機関運転状態によっては、バルブタイミングが機械的なデフォルト位置まで変化することで、そのときの運転状態での適切なバルブタイミングからずれてしまい、始動性や燃焼安定性などの機関運転性が損なわれる可能性があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、バルブタイミング制御指令の入力に異常が発生したときの機関運転性の低下を抑制することができる、内燃機関の制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
そのため、本願発明は、外部からのバルブタイミング制御指令の入力に異常が発生したときに、可変バルブタイミング装置を機械的なデフォルト位置からずれた所定位置に制御するとともに、前記所定位置を、制御指令の入力に異常が発生している状態での機関回転速度に応じて変更するようにした。
上記発明によると、所定位置の設定により、機械的なデフォルト位置に戻ってしまう場合よりも運転性の低下を抑制することができる。
本発明の実施形態における内燃機関のシステム構成図である。 本発明の実施形態におけるVTCコントローラ及びECMの機能の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態におけるVTCコントローラ及びECMの機能の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態における機関回転速度とCAN異常時目標位相角との相関の一例を示す図である。 本発明の実施形態における機関回転速度とCAN異常時目標位相角との相関の一例を示す図である。 本発明の実施形態における機関回転速度の変化量及び変化方向とCAN異常時目標位相角との相関の一例を示す図である。 本発明の実施形態におけるVTCコントローラ及びECMの機能の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態における機関回転速度及びバッテリ電圧とCAN異常時目標位相角との相関の一例を示す図である。 本発明の実施形態におけるVTCコントローラ及びECMの機能の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態におけるCAN異常が発生したときの目標位相角の変化を例示するタイムチャートである。
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明に係る制御装置及び方法を適用する内燃機関の一例を示す図である。
内燃機関101は、車両に搭載されて動力源として用いられる。
内燃機関101の吸気ダクト102には、内燃機関101の吸入空気流量QAを検出する吸入空気量センサ103を設けてある。
吸気バルブ105は、各気筒の燃焼室104の吸気口を開閉する。
吸気バルブ105の上流側の吸気ポート102aには、気筒毎に燃料噴射弁106を配置してある。
尚、図1に示した内燃機関101は、燃料噴射弁106が吸気ポート102a内に燃料を噴射する所謂ポート噴射式内燃機関であるが、燃料噴射弁106が燃焼室104内に直接燃料を噴射する所謂筒内直接噴射式内燃機関とすることができる。
燃料噴射弁106から噴射された燃料は、吸気バルブ105を介して燃焼室104内に空気と共に吸引され、点火プラグ107による火花点火によって着火燃焼し、該燃焼による圧力がピストン108をクランクシャフト109に向けて押し下げることで、クランクシャフト109を回転駆動する。
また、排気バルブ110は、燃焼室104の排気口を開閉し、排気バルブ110が開くことで燃焼室104内の排ガスが排気管111に排出される。
排気管111には三元触媒等を備えた触媒コンバータ112が設置され、触媒コンバータ112によって排気が浄化される。
吸気バルブ105は、クランクシャフト109によって回転駆動される吸気カムシャフト115aの回転に伴って開動作する。また、排気バルブ110は、クランクシャフト109によって回転駆動される排気カムシャフト115bの回転に伴って開動作する。
可変バルブタイミング装置114は、一例として、アクチュエータとしてのモータによってクランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの相対回転位相角を変化させることで、吸気バルブ105のバルブ作動角の位相、つまり、吸気バルブ105のバルブタイミングを連続的に進角方向及び遅角方向に変化させる、電動式の可変バルブタイミング装置である。
なお、電動式の可変バルブタイミング装置114としては、例えば特開2013−227919号公報に開示される機構のものを採用することができる。また、可変バルブタイミング装置114は電動式の機構に限定されるものではなく、油圧式や電磁式などの公知の機構を適宜採用することができる。
また、気筒毎に設けた点火プラグ107には、点火プラグ107に点火エネルギを供給する点火モジュール116がそれぞれ直付けされている。点火モジュール116は、点火コイル及び点火コイルへの通電を制御するパワートランジスタを備えている。
また、制御ユニットとして、可変バルブタイミング装置114を駆動制御する第1制御ユニットとしてのVTCコントローラ201Aと、燃料噴射弁106や点火モジュール116などを制御する第2制御ユニット又は外部制御装置としてのエンジンコントロールモジュール(以下、ECMと称する)201Bとが設けられている。
VTCコントローラ201A及びエンジンコントロールモジュール201Bは、それぞれがCPU,RAM,ROMなどを含むマイクロコンピュータを備えて構成され、ROMなどのメモリに予め格納されたプログラムに従って演算処理を行うことで各種デバイスの操作量を演算して出力する。
VTCコントローラ201Aは、可変バルブタイミング装置114のモータを駆動するインバータなどの駆動回路を備えている。
また、VTCコントローラ201AとECM201Bとは、CAN(Controller Area Network)211を介して相互にデータ転送を行えるよう構成されている。
なお、通信回路としてのCAN211には、VTCコントローラ201A、ECM201Bの他、例えば内燃機関101と組み合わされる自動変速機を制御するATコントローラなどが接続される。
内燃機関101の運転状態を検出する各種センサとして、吸入空気量センサ103の他、クランクシャフト109の回転角信号POSを出力するクランク角センサ203、アクセルペダル207の踏込み量、換言すればアクセル開度ACCを検出するアクセル開度センサ206、吸気カムシャフト115aの回転角信号CAMを出力するカム角センサ204、内燃機関101の冷却水の温度TWを検出する水温センサ208、触媒コンバータ112の上流側の排気管111に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比AFを検出する空燃比センサ209、可変バルブタイミング装置114のアクチュエータであるモータの回転角θを検出するモータ回転角センサ210などを設けてある。
そして、VTCコントローラ201A及びECM201Bは、上記の各種センサの検出信号や、内燃機関101の運転及び停止のメインスイッチであるイグニッションスイッチ205のオン/オフ信号などに基づき、内燃機関101の運転状態を検出し、検出した機関運転状態に基づいて制御処理を実施する。
図2は、VTCコントローラ201A及びECM201Bの機能の一例を示すブロック図である。
ECM201Bは、クランク角センサ203及びカム角センサ204を入力すると共に、図2では図示を省略したが、吸入空気量センサ103、アクセル開度センサ206、水温センサ208、空燃比センサ209の信号を入力し、更に、イグニッションスイッチ205の信号を入力する。
そして、ECM201BのVTC目標角度演算部501は、各種センサの信号に基づいて検出された機関負荷や機関回転速度などの機関運転状態に基づき、可変バルブタイミング装置114の目標位相角TGPAbを演算する。この目標位相角TGPAbは、目標バルブタイミング、目標値、バルブタイミング制御指令値などに相当する。
VTC目標角度演算部501から出力される目標位相角TGPAbのデータは、切替え出力部502に出力される。
切替え出力部502には、VTC目標角度演算部501が演算した目標位相角TGPAbのデータと共に、CAN211を介したデータ転送に異常が発生したときに適用するCAN異常時目標位相角TGPAaのデータが入力され、更に、2つの目標値のいずれかを指定する信号として、CAN211を介したデータ転送の異常の有無を示す診断情報信号(選択指令信号)が入力される。
そして、切替え出力部502は、CAN211を介したデータ転送が正常に行われている場合、つまり、CAN211を介してVTCコントローラ201Aに目標位相角TGPAのデータを正しく転送できる状態では、VTC目標角度演算部501が演算した目標位相角TGPAbを選択して最終的な目標値TGPAfとして出力する。
一方、切替え出力部502は、CAN211を介したデータ転送に異常が発生している場合、つまり、CAN211を介してVTCコントローラ201Aに目標位相角TGPAのデータを正しく転送できない状態では、CAN異常時目標位相角TGPAaを選択して最終的な目標値TGPAfとして出力する。
CAN異常時目標演算部503は、CAN異常時目標位相角TGPAaを出力する。
また、CAN異常判定部504は、CAN211を介してVTCコントローラ201Aから転送される信号などに基づいて、CAN211を介したデータ転送の異常有無を判定する。
切替え出力部502が出力する目標位相角TGPAfは、CAN送信部505に送られると共に、燃料噴射制御や点火時期制御などを行うエンジン制御部506に制御情報として送られる。
CAN送信部505は、目標位相角TGPAfのデータを、CAN211を介してVTCコントローラ201AのCAN受信部601に転送する。
VTCコントローラ201Aでは、CAN受信部601で受信した目標位相角TGPAfのデータを、切替え出力部602に出力する。
切替え出力部602には、ECM201Bから転送された目標位相角TGPAfのデータと共に、CAN211を介したデータ転送に異常が発生したときに適用するCAN異常時目標位相角TGPAaのデータが入力され、更に、2つの目標値のいずれかを指定する信号として、CAN211を介したデータ転送の異常の有無を示す診断情報信号DIAが入力される。
そして、切替え出力部602は、CAN211を介したデータ転送が正常に行われている場合、つまり、CAN211を介してECM201B側から目標位相角TGPAのデータを正しく受信できる状態では、ECM201Bから転送された目標位相角TGPAfを選択して最終的な目標値TGPAとして出力する。
一方、切替え出力部602は、CAN211を介したデータ転送に異常が発生している場合、つまり、CAN211を介してECM201B側から目標位相角TGPAのデータを正しく受信できない状態では、CAN異常時目標位相角TGPAaを選択して最終的な目標値TGPAとして出力する。
CAN異常時目標演算部603は、CAN異常時目標位相角TGPAaを出力する。
ここで、VTCコントローラ201A側のCAN異常時目標演算部603が出力するCAN異常時目標位相角TGPAaと、ECM201B側のCAN異常時目標演算部503が出力するCAN異常時目標位相角TGPAaとは同じ値である。換言すれば、CAN異常時目標演算部603とCAN異常時目標演算部503とは、同じ特性でCAN異常時目標位相角TGPAaを演算して出力するよう構成されている。
また、CAN異常判定部604は、CAN211を介してECM201Bから転送される信号などに基づいて、CAN211を介したデータ転送の異常有無を判定する。
つまり、VTCコントローラ201A及びECM201Bは、CAN異常時目標位相角TGPAaを設定する機能をそれぞれ有すると共に、CAN211を用いたデータ転送の異常の有無を個別に判定し、当該判定結果に基づきECM201Bが演算した目標値と異常時用の目標値とのいずれか一方を選択する機能をそれぞれに備えている。
切替え出力部602が出力する目標位相角TGPAのデータは、VTC駆動制御部605に入力される。
VTC駆動制御部605には、目標位相角TGPAのデータと共に、実際の回転位相角ACPAの検出データが入力される。そして、VTC駆動制御部605は、実回転位相角ACPAが目標位相角TGPAに近づくように、例えば目標位相角TGPAと実回転位相角ACPAとの偏差に応じて可変バルブタイング装置114のモータ114aの目標駆動電流を演算する。
VTC検出角度演算部606は、クランク角センサ203の回転角信号POS、カム角センサ204の回転角信号CAM、モータ回転角センサ210の回転角信号θを入力し、これらの信号に基づいてクランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの実回転位相角ACPAを演算し、演算した実回転位相角ACPAのデータをVTC駆動制御部605に出力する。
VTC検出角度演算部606が入力するクランク角センサ203の回転角信号POS及びカム角センサ204の回転角信号CAMは、ECM201Bの複製回路507から専用の信号線(電線)212a,212bを介してVTCコントローラ201Aに送信された信号である。
ECM201Bの複製回路507は、クランク角センサ203及びカム角センサ204と直接に接続され、入力した回転角信号POS,CAMを複製してVTCコントローラ201AのVTC検出角度演算部606に送信する。
つまり、VTCコントローラ201A及びECM201Bは、CAN211を介さずに回転角信号POS,CAMを入力するよう構成されており、CAN211の異常が発生している場合でも、VTCコントローラ201A及びECM201Bは、回転角信号POS,CAMを入力して制御情報として用いることができるようになっている。
ここで、VTCコントローラ201Aで複製した回転角信号POS,CAMを、専用の信号線(電線)を介してECM201Bへ送信する構成とすることができる。
PWM出力部607は、VTC駆動制御部605が出力する目標駆動電流を入力し、可変バルブタイミング装置114のモータ114aのPWM制御におけるデューティ比を決定し、係るデューティ比のPWM制御信号によってモータ114aの通電を制御する。
図2の機能ブロック図に示したVTCコントローラ201A及びECM201Bは、以下のように動作する。
CAN211を介したデータ転送が正常に行われる状態では、ECM201BのCAN異常判定部504及びVTCコントローラ201AのCAN異常判定部604が共にCAN通信が正常であると判定する。
そして、CAN211の正常判定を受け、ECM201Bの切替え出力部502は、VTC目標角度演算部501が演算した目標位相角TGPAbを出力し、この目標位相角TGPAbが正常なCAN211を介してVTCコントローラ201Aに転送される。
VTCコントローラ201Aの切替え出力部602は、CAN211の正常判定を受け、ECM201BからCAN211を介して転送された目標位相角TGPAbを出力し、VTC駆動制御部605は、目標位相角TGPAb、つまり、機関運転状態に応じて可変に設定される目標値に基づいて可変バルブタイミング装置114を駆動制御する。
これにより、吸気バルブ105のバルブタイミングは、機関運転状態に応じた最適値に制御されることになる。
一方、CAN211を介したデータ転送が正常に行われないCAN211の異常状態では、VTCコントローラ201Aは、CAN211を介してECM201B側から目標位相角TGPAのデータを受け取ることができなくなる。
このとき、ECM201BのCAN異常判定部504及びVTCコントローラ201AのCAN異常判定部604が共にCAN通信が異常であると判定することで、ECM201Bの切替え出力部502は、CAN異常時目標演算部503が出力するCAN異常時目標位相角TGPAaを選択して出力し、VTCコントローラ201Aの切替え出力部602は、CAN異常時目標演算部603が出力するCAN異常時目標位相角TGPAaを選択して出力するようになる。
ここで、ECM201B側のCAN異常時目標演算部503及びVTCコントローラ201A側のCAN異常時目標演算部603は、同じ値のCAN異常時目標位相角TGPAaを演算して出力し、かつ、CAN異常時目標位相角TGPAaは、可変バルブタイミング装置114の機械的なデフォルト位置からずれた固定位置として演算されるようにしてある。
吸気バルブ105のバルブタイミングを可変とする可変バルブタイミング装置114において、デフォルト位置は、ストッパで機械的に定められる位相可変範囲の最遅角側であり、CAN異常時目標位相角TGPAaは、このデフォルト位置である最遅角位置から進角側にずれた位相角として、ECM201B側及びVTCコントローラ201A側のメモリにそれぞれ予め格納されている。
VTCコントローラ201Aが、ECM201B側から目標位相角TGPA、つまり、バルブタイミング制御指令を入力できなくなったときに、可変バルブタイミング装置114の制御を停止すると、カム反力の影響を受けて吸気バルブ105のバルブタイミングが最遅角位置であるデフォルト位置に戻ってしまう。この場合、最遅角位置よりも進角したバルブタイミングが要求される機関運転状態での運転性が低下することになる。
例えば、内燃機関101を始動させるときに、吸気バルブ105のバルブタイミングを最遅角位置よりも進角させる要求がある場合に、CAN異常によってバルブタイミングが最遅角位置に固定されてしまうと、内燃機関101を始動させることができなくなり、また、内燃機関101の回転速度を上げる加速状態では、CAN異常によりバルブタイミングが最遅角位置に固定されると、バルブオーバーラップ量が過少になることなどから燃焼安定性が損なわれてエンストに至る可能性がある。
そこで、例えば、内燃機関101を始動させることができ、また、内燃機関101がエンストすることを十分に抑制できる固定のバルブタイミングとして、CAN異常時目標位相角TGPAaを適合し、CAN異常状態では、VTCコントローラ201Aが、CAN異常時目標位相角TGPAaに基づいて可変バルブタイミング装置114を制御するようにしてある。
従って、CAN異常が発生しても、内燃機関101を始動させることができ、また、内燃機関101の運転を継続させることができ、内燃機関101を動力源とする車両を安全な場所まで移動させることが可能となる。
また、CAN異常が発生したときに、ECM201B側でも、正常状態での目標位相角TGPAbに代えてCAN異常時目標位相角TGPAaが選択され、ECM201Bは、このCAN異常時目標位相角TGPAaに向けて可変バルブタイミング装置114が制御されていると仮定して、内燃機関101の燃料噴射量や点火時期などを制御するから、VTCコントローラ201Aにおいて実際に制御目標とされているバルブタイミングに応じて内燃機関101を制御することができる。
また、ECM201Bが、例えば、目標位相角TGPAと回転角信号POS,CAMに基づき検出した実際の回転位相とを比較して、可変バルブタイミング装置114及び/又はVTCコントローラ201Aの故障を診断する機能を備える場合に、CAN211に異常が発生しても、VTCコントローラ201Aにおいて実際に制御目標とされているバルブタイミングを診断情報として用いることができるので、バルブタイミング制御系の異常を誤診断することを抑制できる。
従って、例えば、ECM201Bが、バルブタイミング制御系の異常を判定したときに、可変バルブタイミング装置114の駆動回路への電源供給を遮断する(電源リレーをオフする)などのフェイル処理を実施する機能を備える場合に、VTCコントローラ201A側で目標値に向けて実回転位相角を制御できているのに、誤って駆動回路への電源供給が遮断されてしまうことを抑制できる。
ここで、駆動回路への電源供給が遮断されると、バルブタイミングが最遅角位置に戻ることになるから、駆動回路への電源供給が誤って遮断されることを抑制できることで、VTCコントローラ201AによりバルブタイミングをCAN異常時目標位相角TGPAaに制御させることができ、これによっても、CAN異常状態での機関運転性の低下を抑制できる。
なお、CAN異常によりVTCコントローラ201AがCAN異常時目標位相角TGPAaに基づき可変バルブタイミング装置114を制御する場合に、ECM201Bは、内燃機関101の負荷の増大を正常時よりも低く制限し、CAN異常時目標位相角TGPAaに制御したときに運転性の低下を十分に抑制できる機関負荷の範囲内で、内燃機関101を運転させることができる。
図2の機能ブロック図に示した例では、CAN211の異常状態で用いるCAN異常時目標位相角TGPAaを機関運転状態が異なっても一律の固定値としたが、CAN異常時目標位相角TGPAaを機関運転状態に応じて可変に設定することができる。
図3の機能ブロック図は、CAN異常時目標演算部503及びCAN異常時目標演算部603が、CAN異常時目標位相角TGPAaを機関運転状態に応じて可変に設定する構成の一例を示す。
なお、図3において、図2に示したブロックと同じブロックについては、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図3において、ECM201Bは、クランク角センサ203から出力される回転角信号POSに基づいて機関回転速度NEを演算する機関回転速度演算部508を備え、機関回転速度演算部508は、演算した機関回転速度NEのデータをCAN異常時目標演算部503に出力する。
CAN異常時目標演算部503は、機関回転速度NEに基づいてCAN異常時目標位相角TGPAaを変更する機能を備える。
また、VTCコントローラ201Aは、ECM201Bの複製回路507から送信される回転角信号POSに基づいて機関回転速度NEを演算する機関回転速度演算部608を備え、機関回転速度演算部608は、演算した機関回転速度NEのデータをCAN異常時目標演算部603に出力する。
CAN異常時目標演算部603は、CAN異常時目標演算部503と同様に、機関回転速度NEに基づいてCAN異常時目標位相角TGPAaを変更する機能を備える。
ここで、CAN異常時目標演算部503とCAN異常時目標演算部603とは、機関回転速度NEに基づくCAN異常時目標位相角TGPAaの設定特性が同じに設定されており、同一の機関回転速度NE条件で同一のCAN異常時目標位相角TGPAaをそれぞれ設定する。
図4は、CAN異常時目標演算部503及びCAN異常時目標演算部603における、機関回転速度NEに基づくCAN異常時目標位相角TGPAaの設定処理の一例を示し、機関回転速度NEの領域毎に複数の異なるCAN異常時目標位相角TGPAaを設定する例である。
図4は、CAN異常時目標演算部503及びCAN異常時目標演算部603に共通したCAN異常時目標位相角TGPAaの設定特性を示し、TDCは上死点、BDCは下死点、IVOは吸気バルブ105の開時期、IVCは吸気バルブ105の閉時期、EVOは排気バルブ110の開時期、EVCは排気バルブ110の閉時期を示す。
CAN異常時目標演算部503及びCAN異常時目標演算部603は、図4に示したように、機関回転速度の複数領域毎にCAN異常時目標位相角TGPAaを記憶し、そのときの機関回転速度が該当する速度領域のCAN異常時目標位相角TGPAaを選択して出力する。
図4に示す例では、機関回転速度を3領域に区分し、3領域毎に異なるCAN異常時目標位相角TGPAaを設定する例を示す。
図4において、機関回転速度NEが第1閾値以下である第1回転速度領域は、内燃機関101のアイドル回転速度よりも低く、内燃機関101を始動させるためのクランキング状態で該当することになる回転速度領域である。
また、機関回転速度NEが第1閾値よりも高く第2閾値よりも低い第2回転速度領域は、内燃機関101のアイドル運転状態、換言すれば、無負荷状態又は軽負荷状態で該当することになる回転速度領域である。
また、機関回転速度NEが第2閾値よりも高い第3回転速度領域は、内燃機関101のアイドル状態よりも負荷が高い中負荷状態、高負荷状態で該当することになる回転速度領域である。
そして、内燃機関101の始動状態で該当することになる第1回転速度領域では、吸気バルブ105のバルブタイミングをデフォルト位置よりも進角させることで、吸気バルブ105の閉時期IVCを下死点BDCに近づけ、始動状態での吸入空気量がデフォルト位置よりも多くなるようにして、内燃機関101の始動性を確保する。換言すれば、CAN異常時目標位相角TGPAaを、デフォルト位置よりも進角側であって閉時期IVCが下死点BDC付近となる位置に設定することで、CAN異常状態でも内燃機関101を始動できるようにする。
例えば、可変バルブタイミング装置114をデフォルト位置としたときの吸気バルブ105の閉時期IVCが下死点BDCよりも遅角した位置となって遅閉じミラーサイクルを実現できるように位相角の可変範囲を設定し、低速一定などの運転条件でデフォルト位置若しくはデフォルト位置近傍の位相角を選択して燃費向上を図る場合がある。
このように位相角の可変範囲が設定される場合、閉時期IVCが下死点BDCよりも遅角するデフォルト位置では内燃機関101の充填効率が低くなる。このため、吸気バルブ105のバルブタイミングをデフォルト位置とした状態でクランキングを行うと、内燃機関101の始動状態において十分な吸入空気量が得られずに内燃機関101の始動性が低下し、内燃機関101を始動させることができなくなる可能性がある。
そこで、内燃機関101の始動状態であると推定される第1回転速度領域に該当する場合は、CAN異常時目標位相角TGPAaをデフォルト位置よりも進角側であって吸気バルブ105の閉時期IVCがデフォルト位置での閉時期IVCよりも下死点BDCに近づく位相角とすることで、始動状態で十分な吸入空気量が得られ、内燃機関101を安定して始動できるようにする。
また、内燃機関101のアイドル状態で該当することになる第2回転速度領域では、吸気バルブ105のバルブタイミングをデフォルト位置よりも進角させるが、第1回転速度領域よりデフォルト位置からの進角量を小さくして、バルブオーバーラップが過大となることを抑制する。これにより、CAN異常状態でのアイドル運転における燃焼安定性が確保され、十分な耐エンスト性が得られる。
更に、アイドル状態よりも機関負荷が増大したときに該当することになる第3回転速度領域では、機関回転速度がアイドル状態よりも高いために、バルブオーバーラップ量をより大きくすることで燃焼安定性を確保できることになる。
そこで、第3回転速度領域では、CAN異常時目標位相角TGPAaを、第2回転速度領域に該当する場合よりも進角した位置でかつ第1回転速度領域に該当する場合よりも遅角した位置として、第2回転速度領域に該当する場合よりもバルブオーバーラップ量を拡大し、中負荷状態での燃焼安定性を確保し、十分な耐エンスト性が得られるようにする。
上記のように、CAN異常状態において、機関回転速度の高低レベルに応じてCAN異常時目標位相角TGPAaを変化させるようにすれば、機関回転速度の違いによる要求バルブタイミングの違いに応じて実際のバルブタイミングを変更でき、CAN異常時目標位相角TGPAaを固定値とする場合に比べてCAN異常状態での内燃機関101の始動性や燃焼安定性などの機関運転性を改善できる。
なお、図4に示した例では、内燃機関101の始動後における回転速度領域をアイドル回転域と非アイドル回転域との2領域に区分するが、回転速度領域をより細かく区分してCAN異常時目標位相角TGPAaをより細かいステップで変化させることができる。
また、例えば、クランキング状態及びアイドル状態を含む低回転領域と、アイドルよりも回転速度が高い高回転領域との2領域に区分し、CAN異常時目標位相角TGPAaを機関回転速度に応じて2種類に切り替える構成とすることができ、機関回転速度の領域分けは任意に設定可能である。
また、同じクランキング状態でも、冷機状態での始動と暖機完了状態での始動とでは、要求されるバルブタイミングが異なるので、図5に示すように、クランキング状態での機関回転速度を冷機状態での低回転域と暖機完了状態での高回転域とに分け、クランキング回転速度の違いに応じてCAN異常時目標位相角TGPAaを異ならせることができる。
つまり、冷機状態での始動では、内燃機関101のフリクションが大きいことでクランキング回転速度が暖機完了状態での始動よりも低くなるから、クランキング回転速度が冷機状態であると推定できる低回転域に該当する場合には、冷機状態での始動に適したCAN異常時目標位相角TGPAaを設定する。
一方、暖機完了状態であって内燃機関101のフリクションが低い状態では、冷機始動状態よりもクランキング回転速度が高くなるから、クランキング回転速度が暖機完了状態であると推定できる高回転域に該当する場合には、暖機完了状態での始動に適したCAN異常時目標位相角TGPAaを設定する。
例えば、冷機始動状態では、始動性確保のために、吸気バルブ105の閉時期IVCが例えば下死点BDC付近になるような進角量となるCAN異常時目標位相角TGPAaを設定し、暖機完了状態での始動では、プレイグニッションの発生を抑制すべく、吸気バルブ105の閉時期IVCを冷機始動状態よりも下死点BDC後に遅らせることで有効圧縮比を冷機始動状態よりも低くする。
また、図4,5に示した例では、機関回転速度NEの高低に応じてCAN異常時目標位相角TGPAaを切り替える構成としたが、図6に例示するように、機関回転速度NEの変化、詳細には変化方向及び/又は変化量に応じてCAN異常時目標位相角TGPAaを切り替える構成とすることができる。
図6に示す例では、機関回転速度NEの変化に基づき5つの条件に場合分けし、それぞれでCAN異常時目標位相角TGPAaを切り替える。
ここで、アイドル回転速度から機関回転速度が上がる加速状態の第1条件と、機関回転速度が上がった状態からアイドル回転速度に向けて低下する減速状態の第2条件と、クランキング回転速度からアイドル回転速度に向けて上がるファーストアイドル状態の第3条件と、機関停止状態から高クランキング回転速度に上がる高温始動状態の第4条件と、機関停止状態から低クランキング回転速度に上がる通常始動状態である第5条件との5条件が設定される。
そして、第1条件が成立する場合には、デフォルト位置よりも進角側であってアイドル状態に適合するバルブオーバーラップ量を小とするCAN異常時目標位相角TGPAaから、バルブオーバーラップ量を拡大させて燃焼安定性を維持させるためにCAN異常時目標位相角TGPAaを進角変化させ、加速状態での燃焼安定性を確保する。
また、第2条件が成立する場合には、バルブオーバーラップ量を大とするCAN異常時目標位相角TGPAaからアイドル回転速度状態に適合するバルブオーバーラップ量を小とするCAN異常時目標位相角TGPAaに遅角変化させ、減速状態での燃焼安定性を確保する。
また、第3条件が成立する場合、換言すれば、暖機中であると推定される場合には、暖機後のアイドル運転でのバルブタイミングよりも進角したCAN異常時目標位相角TGPAaを設定し、進角によってバルブオーバーラップを拡大させ、拡大したバルブオーバーラップによって吸気の吹き返しを発生させ、吸気吹き返しによって燃料の気化促進を図り、暖機中の燃焼安定性を確保する。
また、第4条件は、クランキング回転速度が低温〜常温始動条件の場合よりも高く、換言すれば、停止状態からの回転速度の上昇変化量が大きく、始動状態での内燃機関101が完暖状態であると推定される条件であり、係る条件では、冷機始動状態であるときよりも吸気バルブ105の閉時期IVCを下死点BDCから遠ざけるように遅角させるCAN異常時目標位相角TGPAaを設定し、これにより有効圧縮比を低下させてプレイグニッションの抑制などを図る。
また、第5条件は、クランキング回転速度が高温始動状態よりも低く、換言すれば、停止からの回転速度の上昇変化量が小さく、始動状態での機関温度が低温〜常温条件であると推定される条件であり、係る条件では、第4条件の場合よりもCAN異常時目標位相角TGPAaを進角させることで、吸気バルブ105の閉時期IVCを下死点BDCに近づけ、これによる充填効率の増加によって機関始動性を確保する。
なお、図6に示した第1条件は、アイドル回転からの回転上昇する場合であるが、例えば、アイドル回転からの回転上昇条件と、中間回転速度からの回転上昇条件とに場合分けすることができ、同様に、高回転速度から中間回転速度の間の回転低下と、中間回転速度からアイドル回転速度の間での回転低下とに場合分けすることができる。
また、図4,5,6に例示したように、CAN異常時目標位相角TGPAaを機関回転速度NEに基づいて変更することができる他、スタータモータの電源として用いられるバッテリ電圧VBに基づきCAN異常時目標位相角TGPAaを変更する構成とすることができる。
図7は、機関回転速度NE及びバッテリ電圧VBに応じてCAN異常時目標位相角TGPAaを変更する場合におけるVTCコントローラ201A及びECM201Bの機能ブロック図である。
図7の機能ブロック図は、CAN異常時目標演算部603とCAN異常時目標演算部503とに、機関回転速度NEの信号と共にバッテリ電圧VBの信号が入力される点が、図3と異なり、図7に示すCAN異常時目標演算部603及びCAN異常時目標演算部503は、機関回転速度NE及びバッテリ電圧VBに応じてCAN異常時目標位相角TGPAaを変更する。
図8は、機関回転速度NE及びバッテリ電圧VBに基づくCAN異常時目標位相角TGPAaの変更を例示するものであり、図4に示した機関回転速度NEの領域に応じたCAN異常時目標位相角TGPAaの設定におけるクランキング回転速度領域において、バッテリ電圧VBに基づきCAN異常時目標位相角TGPAaを変更する。
具体的には、図8に例示するCAN異常時目標位相角TGPAaの変更特性では、図4に示した特性と同様に、機関回転速度NEの領域がクランキング回転速度領域、アイドル回転速度領域、中回転速度領域の3領域に分けられていて、アイドル回転速度領域、中回転速度領域に機関回転速度NEが該当する場合には、図4に例示した特性と同様にCAN異常時目標位相角TGPAaを設定する。
一方、図8に例示するCAN異常時目標位相角TGPAaの変更特性では、機関回転速度NEがクランキング回転速度領域に該当する場合に、そのときのバッテリ電圧VBに応じてCAN異常時目標位相角TGPAaを変更する。
即ち、バッテリ電圧VBが設定電圧よりも高い場合にはバッテリの環境温度が高いものと推定でき、環境温度が高いことは、バッテリがエンジンルーム内に設置される場合、内燃機関101の温度が高い完暖状態であると推定できる。
一方、バッテリ電圧VBが設定電圧よりも低い場合にはバッテリの環境温度が低いものと推定でき、環境温度が低いことは、バッテリがエンジンルーム内に設置される場合、内燃機関101の温度が低温〜常温状態であると推定できる。
そこで、バッテリ電圧VBが設定電圧よりも低く、内燃機関101の冷機状態での始動あると推定される場合、吸気バルブ105の閉時期IVCを下死点BDC付近として吸入空気量が可及的に増やして始動性を確保できるように、CAN異常時目標位相角TGPAaを設定する。
一方、バッテリ電圧VBが設定電圧よりも高く、内燃機関101の暖機完了状態での始動あると推定される場合、吸気バルブ105の閉時期IVCを冷機始動状態よりも遅角させて下死点BDCから遠ざけることで有効圧縮比を低下させてプレイグニッションの発生を抑制できるように、バッテリ電圧VBが設定電圧よりも低い場合よりも遅角側のCAN異常時目標位相角TGPAaを設定する。
なお、図8に示した特性例では、機関回転速度NE及びバッテリ電圧VBに基づいてCAN異常時目標位相角TGPAaを可変に設定するが、機関回転速度NEの情報を用いることなくバッテリ電圧VBに基づいてCAN異常時目標位相角TGPAaを可変に設定する構成とすることができる。
ところで、可変バルブタイミング装置114を内燃機関101の停止中に操作して回転位相を変化させようとすると、モータトルクがカムトルクに打ち勝てずに実際の位相が変化しないことで、ロック電流が発生して過熱が起こり、可変バルブタイミング装置114やモータ駆動回路の故障要因となったり、ロックトルクによってモータ出力軸の減速機構の噛み込みなどの故障が発生したりする可能性がある。
そこで、図9の機能ブロック図に示す構成によって、CAN異常状態での可変バルブタイミング装置114の駆動許可/不許可を指令させることができる。
図9の機能ブロック図において、ECM201Bは、可変バルブタイミング装置114の駆動を許可するか否かを判定する駆動許可判定部として、内燃機関101や車両状態に基づき駆動許可判定を行うVTC駆動許可判定部510と、機関回転速度NEに基づき駆動許可判定を行うCAN異常時VTC駆動許可判定部511とを有する。
更に、ECM201Bは、VTC駆動許可判定部510の許可/不許可の信号及びCAN異常時VTC駆動許可判定部511の許可/不許可の信号を入力し、CAN通信の診断結果に基づきいずれか一方の信号を選択して出力する出力切替え部512を有する。
そして、出力切替え部512が出力する駆動許可/不許可の指令信号は、CAN211を介してVTCコントローラ201A側に転送されるよう構成されている。
VTCコントローラ201Aは、機関回転速度NEに基づき駆動許可判定を行うCAN異常時VTC駆動許可判定部611と、ECM201B側から転送された駆動許可/不許可の指令信号とCAN異常時VTC駆動許可判定部611が出力する駆動許可/不許可の指令信号とを入力し、CAN通信の診断結果に基づきいずれか一方の信号を選択して出力する出力切替え部612とを有する。
VTCコントローラ201AのVTC駆動制御部605は、出力切替え部612が駆動許可の指令信号を出力する場合に可変バルブタイミング装置114を目標位相角に基づき駆動制御し、出力切替え部612が駆動不許可の指令信号を出力する場合には、可変バルブタイミング装置114の駆動を停止する。
なお、VTC駆動制御部605が入力する目標位相角は、前述のように、ECM201Bから転送された目標位相角と、CAN異常時目標演算部603が演算した目標位相角とのいずれか一方をCAN異常の有無に応じて選択して決定される目標値である。つまり、図9には、目標位相角の設定を行うためのブロックの記載を省略してあるが、図2、図3、図7に示したCAN異常時目標演算部603,503などの構成を有する。
そして、ECM201B側の出力切替え部512は、CAN正常状態ではVTC駆動許可判定部510の駆動許可/不許可の指令信号を選択して出力し、CAN異常状態ではCAN異常時VTC駆動許可判定部511の駆動許可/不許可の指令信号を選択して出力する。
同様に、VTCコントローラ201A側の出力切替え部612は、CAN正常状態ではECM201B側から転送された駆動許可/不許可の指令信号を選択して出力し、CAN異常状態ではCAN異常時VTC駆動許可判定部611の駆動許可/不許可の指令信号を選択して出力する。
また、CAN異常時VTC駆動許可判定部511には、機関回転速度演算部508が演算した機関回転速度NEのデータが入力され、CAN異常時VTC駆動許可判定部611には、機関回転速度演算部508が演算した機関回転速度NEのデータが入力される。そして、CAN異常時VTC駆動許可判定部511及びCAN異常時VTC駆動許可判定部611は、機関回転速度NEが0rpmである内燃機関101の停止状態では駆動不許可の指令信号を出力し、機関回転速度NEが0rpmでなく吸気カムシャフト115aが回転している状態では、駆動許可の指令信号を出力するよう構成されている。
図9に示した構成によると、ECM201B側で設定した駆動許可/不許可の指令信号を、CAN異常によってVTCコントローラ201A側が正しく入力することができなくなっても、CAN異常が発生したときにCAN異常時VTC駆動許可判定部611からの指令が選択され、CAN異常時VTC駆動許可判定部611からの指令に基づき駆動/駆動停止が行われるので、少なくとも内燃機関101の停止状態で可変バルブタイミング装置114が駆動されてしまうことを抑制できる。
従って、内燃機関101の停止状態でCAN異常が発生したときに、可変バルブタイミング装置114が誤って駆動されることによって、駆動回路の過熱故障や減速機の噛み込み故障などが発生することを抑制することができる。
ところで、上記のように、VTCコントローラ201Aは、CAN異常が発生すると、ECM201B側から転送された目標位相角からCAN異常時目標演算部603で演算した目標位相角に切り替え、VTC駆動制御部605による可変バルブタイミング装置114の駆動制御を継続するが、CAN異常の発生に伴って目標位相角がステップ的に変化することで内燃機関101の出力などが急激に変化する可能性がある。
そこで、図10に示すように、CAN正常状態での目標位相角から、CAN異常状態での目標位相角にまで徐々に変化させる移行期間を設けることで、CAN異常の発生に伴って内燃機関101の運転性が急変することを抑制することができる。
以上、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば種々の変形態様を採り得ることは自明である。
上記実施形態では、吸気バルブ105のバルブタイミングを可変とする可変バルブタイミング装置114の制御を例示したが、排気バルブ110のバルブタイミングを可変とする可変バルブタイミング装置の制御に、本発明の制御装置及び制御方法を適用できることは明らかである。
また、機関回転速度領域、バッテリ電圧、機関回転速度の変化方向、機関回転速度の変化量のうちの複数の組み合わせに応じてCAN異常時目標位相角TGPAaを可変に設定することができる。
また、ECM201BとVTCコントローラ201Aとの間におけるデータ通信は、CAN規格に基づく通信に限定されるものではなく、公知の種々の通信を適宜採用できる。
101…内燃機関、105…吸気バルブ、109…クランクシャフト、114…可変バルブタイミング機構、114a…モータ、115a…吸気カムシャフト、201A…VTCコントローラ、201B…エンジンコントロールモジュール(ECM)、203…クランク角センサ、204…カム角センサ、210…モータ回転角センサ、211…CAN

Claims (9)

  1. 内燃機関のバルブタイミングを可変する可変バルブタイミング装置を制御する制御装置であって、
    外部からのバルブタイミング制御指令の入力に異常が発生したときに、前記可変バルブタイミング装置を機械的なデフォルト位置からずれた所定位置に制御する処理部を備え、
    前記処理部は、前記所定位置を、前記バルブタイミング制御指令の入力に異常が発生している状態での機関回転速度に応じて変更する、内燃機関の制御装置。
  2. 前記処理部は、前記所定位置を機関回転速度の複数領域毎に変更する、請求項1記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記処理部は、前記所定位置を機関回転速度の変化方向と変化量との少なくとも一方に応じて変更する、請求項記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記可変バルブタイミング装置は、前記内燃機関の吸気バルブのバルブタイミングを可変とする装置であり、
    前記処理部は、
    前記内燃機関の温度が所定温度よりも低い前記内燃機関の始動状態において、前記所定位置を前記吸気バルブの閉時期が下死点付近の第1閉時期となる位置とし、
    前記内燃機関の温度が前記所定温度よりも高い前記内燃機関の始動状態において、前記所定位置を前記吸気バルブの閉時期が前記第1閉時期よりも遅角側となる位置とする、
    請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記可変バルブタイミング装置は、前記内燃機関の吸気バルブのバルブタイミングを可変とする装置であって、前記デフォルト位置は前記吸気バルブの閉時期が下死点後となる位置であり、
    前記処理部は、前記内燃機関の始動状態において、前記所定位置を、前記デフォルト位置よりも前記吸気バルブの閉時期を下死点に近づける位置とする、
    請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記処理部は、前記内燃機関の始動後のアイドリング状態において、前記所定位置を、始動状態よりも前記吸気バルブの閉時期を遅角させる位置とする、請求項5記載の内燃機関の制御装置。
  7. 前記処理部は、前記内燃機関の回転速度がアイドリング回転速度よりも高い状態において、前記所定位置を、前記吸気バルブの閉時期が前記アイドリング状態での閉時期よりも進角側となる位置とする、請求項6記載の内燃機関の制御装置。
  8. 前記可変バルブタイミング装置は、前記内燃機関の吸気バルブのバルブタイミングを可変とする装置であり、
    前記処理部は、前記内燃機関がアイドリング状態から加速するときに前記吸気バルブの閉時期がアイドリング運転での閉時期よりも下死点に近づくように前記所定位置を変更する、
    請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。
  9. 内燃機関のバルブタイミングを可変する可変バルブタイミング装置を、外部から入力した制御指令に応じて制御する方法であって、
    前記制御指令の入力異常の有無を検出するステップと、
    前記入力異常を検出したときに前記可変バルブタイミング装置を機械的なデフォルト位置からずれた所定位置に制御するステップと、
    前記所定位置を、前記制御指令の入力異常が発生している状態での機関回転速度に応じて変更するステップと、
    を含む、内燃機関の制御方法。
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