JP6220288B2 - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
Claims (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。 - 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。
- 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1記載の内燃機関の制御装置。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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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