(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸、排気弁を備え、これらの弁の開閉時期によってシリンダの吸入空気量および排気ガスの排出を制御する一方、吸気通路に吸入空気量を計測する吸気量センサを備える可変動弁エンジンにおいて、
少なくとも吸気弁の閉時期のシリンダ内容積を基に実際の吸入空気量を推定する吸入空気量推定手段と、
この推定値と吸気量センサの計測値を比較する比較手段と、
この比較結果を基に吸気量センサの故障判定を行う故障判定手段とを設けると共に、
吸気管に絞り弁を設け、
前記吸入空気量推定手段は、吸入空気量の推定値を、その絞り弁の開度に応じて補正する補正手段を持ち、該補正手段は、絞り弁の開度が小さく吸気管負圧が大きいほど、吸入空気量の推定値を減少補正することを特徴とする可変動弁エンジンの故障検出装置。
【請求項２】
前記故障判定手段は、前記吸入空気量推定手段の吸入空気量の推定値と吸気量センサの計測値との差が、予め定めた所定の故障判定基準値よりも大きいときに、吸気量センサを故障と判定する請求項１に記載の可変動弁エンジンの故障検出装置。
【請求項３】
前記故障判定手段による故障判定基準を、少なくともエンジン回転数を含むエンジンの運転条件毎に設定してある請求項１に記載の可変動弁エンジンの故障検出装置。
【請求項４】
前記吸入空気量推定手段は、吸、排気弁の開閉制御時期より吸、排気弁の開閉時期を判別する請求項１に記載の可変動弁エンジンの故障検出装置。
【請求項５】
吸、排気弁の開閉時期を検出する着座センサを備え、前記吸入空気量推定手段は、着座センサによるに吸、排気弁の開閉時期の検出値を基に実際の吸入空気量を推定する請求項１に記載の可変動弁エンジンの故障検出装置。
【請求項６】
吸気量センサの故障を表示する表示装置を備える請求項１に記載の可変動弁エンジンの故障検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、吸、排気弁を備える可変動弁エンジンの故障検出装置に関し、特に吸入空気量を計測する吸気量センサの故障を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの吸、排気弁をカム駆動に変えて電磁力で駆動するものがある。このものは、カムシャフト等の機構を省略することができ、エンジンの運転状態に合った弁開閉タイミングに設定できると共に、弁開閉タイミングによって、シリンダの吸入空気量および排気ガスの排出を制御することが可能である（特開昭６１−２４７８０７号公報等）。
【０００３】
また、油圧により吸、排気弁を駆動するものがある（特開平７−３１７５１６号公報等）。これは、オイルポンプにより昇圧されたオイルを、吸気弁や排気弁を駆動するピストンとこのピストンが摺動するシリンダとにより画成された油圧室に、オイルの供給と遮断を行う気筒毎に設定された電磁式スピル弁を介して供給することで、気筒毎に吸気弁や排気弁を所望の開弁時期、閉弁時期に制御するものである。
【０００４】
このようなエンジンにおけるエンジン吸気量の計測方法として、絞り弁上流の吸気通路にエアフローメータ（吸気量センサ）を備え、吸気量センサが計測した吸入空気量とエンジン回転数から燃料の基本的な噴射量を求め、これを基に種々の補正を行って燃料噴射弁の燃料噴射量を制御するものにおいては、この吸気量センサに異常があると、例えば燃料噴射量を適正に制御できなくなる。
【０００５】
従来、このような吸気量センサの故障検出装置として、センサ回路の断線の有無を検出するもの（特開平１０−６８６４７号公報）、排気系に設けた酸素濃度センサの信号から吸気量センサの故障を間接的に判定するもの、あるいは吸気量センサの信号波形つまり吸気弁の開閉に伴う吸気脈動によって生じる信号の最大出力値と最小出力値との偏差から吸気量センサの故障を判定するもの（特開平５−００１９３０号公報）等がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、センサ回路の断線の有無を検出するものは、吸気量センサの出力のズレによる異常は検出できず、酸素濃度センサの信号から吸気量センサの故障を判定するものは、燃料系の故障との区別をつけにくい。
【０００７】
また、吸気量センサの最大出力値と最小出力値との偏差から吸気量センサの故障を判定するものは、吸気通路に設けた絞り弁よりも吸、排気弁によってシリンダの吸入空気量等を制御する場合、吸気弁の開閉タイミングによって吸気脈動が変わるため、必ずしも適用しにくいのである。
【０００８】
この発明は、吸、排気弁の開閉タイミングによってシリンダの吸入空気量等を制御する可変動弁エンジンの場合、その開閉タイミングによってシリンダの吸入空気量を推定可能なことに着目し、その推定値と吸気量センサの計測値との比較によって吸気量センサの故障を的確に検出できる故障検出装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、吸、排気弁を備え、これらの弁の開閉時期によってシリンダの吸入空気量および排気ガスの排出を制御する一方、吸気通路に吸入空気量を計測する吸気量センサを備える可変動弁エンジンにおいて、少なくとも吸気弁の閉時期のシリンダ内容積を基に実際の吸入空気量を推定する吸入空気量推定手段と、この推定値と吸気量センサの計測値を比較する比較手段と、この比較結果を基に吸気量センサの故障判定を行う故障判定手段とを設けると共に、吸気管に絞り弁を設け、前記吸入空気量推定手段は、吸入空気量の推定値を、その絞り弁の開度に応じて補正する補正手段を持ち、該補正手段は、絞り弁の開度が小さく吸気管負圧が大きいほど、吸入空気量の推定値を減少補正する。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記故障判定手段は、前記吸入空気量推定手段の吸入空気量の推定値と吸気量センサの計測値との差が、予め定めた所定の故障判定基準値よりも大きいときに、吸気量センサを故障と判定する。
【００１４】
第３の発明は、第１の発明において、前記故障判定手段による故障判定基準を、少なくともエンジン回転数を含むエンジンの運転条件毎に設定してある。
【００１５】
第４の発明は、第１の発明において、前記吸入空気量推定手段は、吸、排気弁の開閉制御時期より吸、排気弁の開閉時期を判別する。
【００１６】
第５の発明は、第１の発明において、吸、排気弁の開閉時期を検出する着座センサを備え、前記吸入空気量推定手段は、着座センサによるに吸、排気弁の開閉時期の検出値を基に実際の吸入空気量を推定する。
【００１７】
第６の発明は、第１の発明において、吸気量センサの故障を表示する表示装置を備える。
【００１８】
【発明の効果】
第１、第４の発明によれば、吸気量センサの出力のズレによる異常、センサ回路の断線等の故障を容易に精度良く検出できる。
【００２０】
また、絞り弁を設けた場合にも精度良い推定吸入空気量を得ることができ、対応できる。
【００２１】
第２、第３の発明によれば、吸気量センサの故障判定を精度良く行える。
【００２２】
第５の発明によれば、吸、排気弁の故障を的確に検出できると共に、これらの故障時に吸気量センサの故障判定をキャンセルできる。
【００２３】
第６の発明によれば、故障の早期補修が可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１に示すように、１はエンジン、２はシリンダ（燃焼室）、３は吸気弁、４は排気弁、５は吸気管、６は排気管、７は点火栓、８は燃料噴射弁、９は排気浄化用触媒である。
【００２６】
吸気弁３、排気弁４を駆動する電磁アクチュエータ１０，１１は、図２のように可動部１２を開弁方向と閉弁方向に付勢する２つのスプリング１３，１４と、可動部１２を開弁方向と閉弁方向に吸引する２つの電磁石１５，１６とが設けられる。
【００２７】
駆動回路１７によって、図２の状態から開弁側の電磁石１５の電磁コイルの電流が遮断されると、閉弁側のスプリング１４のバネ力により、可動部１２は中立位置を通過して閉弁側の電磁石１６に接近すると共に、この際閉弁側の電磁石１６の電磁コイルに通電しておくことで、その電磁吸引力により可動部１２は開弁側のスプリング１３のバネ力に打ち勝って閉弁側の電磁石１６に吸引され、閉弁される。次に、この状態から閉弁側の電磁石１６の電磁コイルの電流が遮断されると、今度は開弁側のスプリング１３のバネ力により、可動部１２は中立位置を通過して開弁側の電磁石１５に接近すると共に、この際開弁側の電磁石１５の電磁コイルに通電しておくことで、その電磁吸引力により可動部１２は閉弁側のスプリング１４のバネ力に打ち勝って開弁側の電磁石１５に吸引され、開弁される。なお、両電磁石１５，１６の電磁コイルに電流が流れていない場合には、可動部１２は両スプリング１３，１４のバネ力により両電磁石１５，１６の吸着面からそれぞれ所定の位置だけ離間した中立位置（吸気弁３、排気弁４が半開きの状態）に保持される。
【００２８】
一方、吸気通路の一部を形成する吸気管５には、エンジンの運転条件を検出する手段として、エンジンの吸入空気量を検出するエアフローメータ（吸気量センサ）２１が設けられ、その信号はコントロールユニット２０に入力される。また、エンジンの運転条件を検出する手段として、エンジン回転数、クランク角を検出する回転数センサ（クランク角センサ）２２、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２３、エンジンの冷却水温を検出する水温センサ２４および吸気温度を検出する吸気温度センサ２５等が設けられ、これらの信号もコントロールユニット２０に入力される。
【００２９】
これらのセンサ信号に基づいて、コントロールユニット２０によって、吸、排気弁３，４の開閉時期が駆動回路１７を介して制御されると共に、燃料噴射弁８の燃料噴射量等の制御、吸気量センサ２１の故障判定が行われる。
【００３０】
この場合、吸気弁３の開時期は例えば吸気上死点を基準にエンジン回転数が高いときほど進角側に制御され、閉時期はアクセル開度、エンジン回転数等に基づく要求の吸入空気量を得るクランク角（吸気行程区間、圧縮行程区間）に制御される。基本的に吸気弁３の閉時期によって吸入空気量が制御される。
【００３１】
この吸気弁３の閉制御時期（クランク角）は、例えば図３のようにアクセル開度とエンジン回転数を基に吸気弁３の閉制御時期を設定した閉制御時期マップを検索して求められる。この閉制御時期マップでは、アクセル開度の全開域において最大の吸気量がシリンダに入るクランク角を設定（実験等により適合）すると共に、部分負荷域では全開域に対してクランク角を進角または遅角して要求の吸気量を得るクランク角に設定している。なお、アクセル開度の全開域において最大の吸気量がシリンダに入るクランク角は、エンジン低回転域ではほぼピストン下死点となり、高回転域では圧縮行程側となる。
【００３２】
排気弁４の開時期は膨張行程と排気行程の間のピストン下死点付近に制御され、閉時期は吸気上死点付近にエンジン回転数に応じて制御される。
【００３３】
この排気弁４の閉制御時期（クランク角）は、図示しないがアクセル開度とエンジン回転数を基に排気弁４の閉制御時期を設定した閉制御時期マップを検索して求められる。
【００３４】
また、燃料噴射弁８の燃料噴射量は、一般的な燃料噴射量制御と同様に、吸気量センサ２１が検出（計測）した吸入空気量とエンジン回転数に基づく基本的な噴射量に種々の補正を行って決定され、制御される。
【００３５】
なお、図中２６は吸気量センサ２１の故障を表示する表示装置で、運転パネル等に設けられる。
【００３６】
次に、吸気量センサ２１の故障判定を、図４、図５のフローチャートに基づいて説明する。
【００３７】
図４に示すように、ステップ１では、吸気弁３の閉時期のシリンダ内容積Ｖを算出する。これは、吸気弁３の閉制御時のクランク角つまりピストンの位置から算出する。
【００３８】
ここで、ピストンの行程：ｘ、コンロッド軸間距離：ｈ、クランク半径：ｒとすると、
上死点からの変位角θ（クランク角）のとき、
ｘ＝ｒ（１−COSθ）＋λｒ［１−（１−SINθ2／λ2）1/2］
λ＝ｈ／ｒ
で、簡略的には、
ｘ≒ｒ（１−COSθ）＋ｒ（１−COS２θ）／４λ
となり、
シリンダ内容積Ｖは
0003680599.tif 000002
ただし、Ｖcc：燃焼室容積、Ｖcyl：行程容積
Ｓ：シリンダ断面積＝π（ボア／２）2
から求まる。
【００３９】
具体的には、このような式を基に、クランク角θについてシリンダ内容積Ｖを設定したマップを用いて算出する。
【００４０】
ステップ２では、そのシリンダ内容積Ｖを基に、シリンダ２の吸入空気量（新気質量）を推定する。これは、図５のフローにしたがって行う。
【００４１】
図５のフローは、吸気弁３の閉弁前に、排気弁４が閉弁したときに、ステップ１２からステップ１３〜１６の処理に入る。
【００４２】
ステップ１３では、排気弁４の閉時期のクランク角を読み込み、ステップ１４では、そのクランク角からシリンダ残容積Ｖ0を算出する。排気弁４の閉時期が吸気上死点であれば、シリンダ残容積Ｖ0は燃焼室容積となり、吸気上死点より遅角側であれば、燃焼室容積に閉時期のクランク角から算出した容積を加算してシリンダ残容積Ｖ0を算出する。
【００４３】
このシリンダ残容積Ｖ0も、前述のクランク角θについてシリンダ内容積Ｖを設定したマップを用いて算出する。
【００４４】
ステップ１５では、排圧を算出し、ステップ１６では、シリンダ残容積Ｖ0と排圧と排気温度からシリンダ２の残ガス質量を算出する。排圧および排気温度は、それぞれエンジン回転数、アクセル開度、冷却水温等を基に、実験等により図６、図７のように排圧データ、排気温度データを定めた排圧マップ、排気温度マップを用いて求める。
【００４５】
シリンダの残ガス質量：Ｇは、気体の状態方程式Ｇ＝ＰＶ／ＲＴより求める。
【００４６】
ただし、Ｐ：排圧、Ｖ：シリンダ残容積、
Ｒ：ガス定数＝燃焼ガスの定数（固定値）、Ｔ：排気温度
この排気弁４の閉弁後、吸気弁３が閉弁したときに、ステップ１１からステップ１７〜２０に入る。
【００４７】
ステップ１７では、シリンダ内新気分容積を算出する。このシリンダ内新気分容積は、図４のステップ１にて算出したシリンダ内容積Ｖからステップ１６にて算出した残ガス分を差し引いて求める。
【００４８】
この場合、排気弁閉時の燃焼ガスの状態を圧力Ｐ0、容積Ｖ0、温度Ｔ0、吸気弁開時の状態を圧力Ｐ1、容積Ｖ1、温度Ｔ1とすると（ただし、Ｐ1は吸気管負圧に影響される）、
基本的にはＰ1Ｖ1／Ｔ1＝Ｐ0Ｖ0／Ｔ0＝ＧＲなので、
Ｖ1＝（Ｐ0／Ｐ1）（Ｔ1／Ｔ0）Ｖ0
を求め、このＶ1を残ガス分としてシリンダ内容積Ｖから差し引いてシリンダ内新気分容積を求める。
【００４９】
ステップ１８では吸気温度を、ステップ１９では吸気圧（吸気管負圧）を計測する。吸気圧は、吸気管５に吸気管負圧を得るために絞り弁を設けた場合、絞り弁の開度によって変化するため、吸気圧の検出を行う。検出の方法は、エンジン回転数と絞り弁開度から予め実験等により求めておいた図８のようなマップを参照しても良いし、吸気圧センサを設けて計測しても良い。ただし、吸気圧を検出した場合、吸気圧によってステップ１７のシリンダ内新気分容積を補正して良い。
【００５０】
ステップ２０では、そのシリンダ内新気分容積と吸気温度と大気圧または吸気圧とから、推定シリンダ内新気質量を算出する。絞り弁を設けた場合、吸気管負圧が大きいほど、推定シリンダ内新気質量を減少補正する。
【００５１】
この場合、シリンダ内新気質量は、図９〜図１１のようにエンジン回転数、排気弁４の閉時期、吸気弁３の開時期、吸、排気弁３，４のオーバーラップ量に応じて変化するため、これらエンジン回転数、排気弁４の閉時期、吸気弁３の開時期、吸、排気弁３，４のオーバーラップ量に応じて、推定シリンダ内新気質量を補正する。排気弁４の閉時期に対しては、図９に示すような特性に設定したマップから補正値を、吸気弁３の開時期に対しては、図１０に示すような特性に設定したマップから補正値を、吸、排気弁３，４のオーバーラップがあるときは、そのオーバーラップ量に対して図１１に示すような特性に設定したマップから補正値を求め、推定シリンダ内新気質量に乗算する。なお、図１０は吸気弁３の開時期が吸気上死点から遅角側にある場合である。
【００５２】
次に、図４のステップ３にて、吸気量センサ（ＡＦＭ）２１の計測値つまり吸気質量（温度補正、圧力補正後）を読み込み、ステップ４にてその吸気質量を推定シリンダ内新気質量と比較して、吸気量センサ２１の故障判定を行う。
【００５３】
この吸気量センサ２１の故障判定は、吸気質量と推定シリンダ内新気質量との差が予め定められた所定量（判定基準値）より大きいときに故障と判定する。
【００５４】
図１２にエンジン回転数に基づく故障判定基準の例を示す。エンジン回転数が低く、シリンダ２に吸気を吸入しやすいときほど、正確な推定シリンダ内新気質量が得られるので、エンジン回転数が低いときは吸気質量と推定シリンダ内新気質量との差が比較的小さい差以上で故障と判定し、エンジン回転数が高くなるほどその差が大きいときに故障と判定するように、判定基準を設定している。
【００５５】
また、図１３のようにエンジン回転数とアクセル開度に基づき故障判定基準を設定することもできる。この場合、吸気弁３等の開閉の作動遅れ等により推定シリンダ内新気質量にバラツキが出るので、アクセル開度が小さく、吸気弁３の開期間が小さいときほど誤差率が大きくなる。そのため、アクセル開度が大きく、エンジン回転数が低いときは吸気質量と推定シリンダ内新気質量との差が比較的小さい差以上で故障と判定し、アクセル開度が小さく、エンジン回転数が高くなるほどその差が大きいときに故障と判定するように、判定基準を設定する。
【００５６】
そして、故障と判定したときは、運転パネル等に設けた表示装置２６によって吸気量センサ２１の故障を表示する。
【００５７】
このように、シリンダ２の実際の吸入空気量を推定し、その推定値を基に吸気量センサ２１の故障を判定するので、吸気量センサ２１の出力のズレによる異常、センサ回路の断線等の故障を容易に精度良く検出できる。
【００５８】
この場合、吸気弁３の閉時期のシリンダ内容積を基にシリンダ２の吸入空気量を推定すると共に、これを排気弁４の閉時期、吸気弁３の開時期、吸、排気弁３，４のオーバーラップ量に応じて補正することによって、精度の良い推定吸入空気量を得ることができる。
【００５９】
また、故障の判定基準をエンジン回転数を含むエンジンの運転条件毎に設定すると共に、推定吸入空気量の精度が高いつまりエンジン回転数が低い条件のときに吸気量センサ２１の計測値と推定吸入空気量との差が比較的小さい差以上で故障と判定するので、故障判定を精度良く行える。
【００６０】
したがって、吸気量センサ２１の故障検出を的確に行える。また、故障時に表示装置２６によって運転者に知らせるので、早期に補修が可能である。
【００６１】
一方、本エンジンは、吸気弁３の閉時期等によってシリンダ２の吸入空気量が制御されるが、吸気管５に吸気管負圧を得るために絞り弁を設けた場合、その開度に応じて吸入空気量を補正つまり吸気管負圧を加えて吸入空気量を推定するので、絞り弁を設けた場合にも対応できる。
【００６２】
また、本例では、コントロールユニット２０による吸、排気弁３，４の開制御時期、閉制御時期によってこれらの開閉時期を判定しているが、図１に示すように吸、排気弁３，４の閉弁状態を検出する着座センサ３０，３１を設け、着座センサ３０，３１によって吸、排気弁３，４の開閉時期を検出するようにもできる。この着座センサ３０，３１としては、例えばギャップセンサや非接触の位置センサ等が用いられ、吸、排気弁３，４の電磁アクチュエータ１０，１１等に設置される。このようにすれば、弁の故障を検出できると共に、弁故障時に吸気量センサ２１の故障判定をキャンセルできる。また、吸気弁３等の開閉の作動遅れ等による推定吸入空気量のバラツキを低減できる。
【００６３】
なお、本例は、電磁駆動式の可変動弁に本発明を適用したものであるが、油圧により吸、排気弁を駆動する可変動弁エンジンに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す構成断面図である。
【図２】電磁駆動式の吸、排気弁の構成図である。
【図３】吸気弁の閉制御時期マップの例の特性図である。
【図４】制御内容を示すフローチャートである。
【図５】制御内容を示すフローチャートである。
【図６】排圧マップの例の特性図である。
【図７】排気温度マップの例の特性図である。
【図８】吸気圧マップの例の特性図である。
【図９】排気弁閉時期に対する吸入空気量の特性図である。
【図１０】吸気弁開時期に対する吸入空気量の特性図である。
【図１１】バルブオーバーラップ量に対する吸入空気量の特性図である。
【図１２】エンジン回転数に対する判定基準の例を示す特性図である。
【図１３】エンジン回転数とアクセル開度に対する判定基準の例を示す特性図である。
【符号の説明】
２  シリンダ
３  吸気弁
４  排気弁
５  吸気管
６  排気管
８  燃料噴射弁
１０，１１  電磁アクチュエータ
１７  駆動回路
２０  コントロールユニット
２１  吸気量センサ
２２  回転数センサ（クランク角センサ）
２３  アクセル開度センサ
２４  水温センサ
２５  吸気温度センサ
２６  表示装置
３０，３１  着座センサ
【図１】
0003680599.tif 000003
【図２】
0003680599.tif 000004
【図３】
0003680599.tif 000005
【図４】
0003680599.tif 000006
【図５】
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【図６】
0003680599.tif 000008
【図７】
0003680599.tif 000009
【図８】
0003680599.tif 000010
【図９】
0003680599.tif 000011
【図１０】
0003680599.tif 000012
【図１１】
0003680599.tif 000013
【図１２】
0003680599.tif 000014
【図１３】
0003680599.tif 000015