(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気バルブのバルブリフト量を制御する可変バルブ機構と、
前記吸気バルブ上流側に備えられたスロットル弁とを備える内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
前記可変バルブ機構の制御系統の故障の有無を診断すると共に、
機関運転状態に応じた吸入空気量が前記可変バルブ機構によって制御され、
且つ、最大吸入空気量が得られる所定の開度にスロットル弁が保持されている、もしくは、要求される吸気負圧となるようスロットル弁が制御されている時に、吸入空気量が過大となる方向に可変バルブ機構の制御系統に故障が生じた場合、
前記保持されている所定のスロットル開度もしくは、前記吸気負圧が要求されている運転状態で制御されている時のスロットル開度に優先して、前記可変バルブ機構が正常であるときの吸入空気量が維持されるように前記目標吸入空気量と実吸入空気量の偏差に基づいて前記スロットルバルブを制御することを特徴とする内燃機関のフェールセーフ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸入空気量のフェールセーフ制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、吸気バルブ・排気バルブのバルブリフト量及びバルブ作動角を連続的に変える構成の可変バルブ機構が知られている（特開２００１−０１２２６２号公報参照）。
前記可変バルブ機構は、カム軸と略平行に配設された制御軸と、該制御軸の外周に偏心して固定された制御カムと、該制御カムに揺動自在に軸支されたロッカアームと、前記カム軸の回転に応じて前記ロッカアームの一端部を揺動駆動するリンクアーム・偏心カムと、前記ロッカアームの他端部に連係して揺動して吸・排気バルブを開動作させる揺動カムと、前記制御軸を回転駆動するＤＣサーボモータと、を備える。
【０００３】
そして、作動角センサで検出される前記制御軸の実際の作動角を、要求のバルブ開特性に対応する目標作動角に一致させるべく、前記ＤＣサーボモータをフィードバック制御するよう構成される。
上記可変バルブ機構は、バルブリフト量及びバルブ作動角を可変とすることで、スロットル弁によらず単独で吸入空気量を制御することができる。ただし、乗用車等でブレーキの負圧源やパージガス、ブローバイガスを吸気系に吸引するため吸気負圧を要する場合は、スロットルバルブを備えて所定条件で吸気負圧を発生させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記可変バルブ機構を用いて吸入空気量を制御する場合、該可変バルブ機構が故障した場合でも吸入空気量制御が行えるように確保する必要がある。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、吸入空気量制御系統が故障した場合でも、適切な吸入空気量制御が行われるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1に係る発明は、
吸気バルブのバルブリフト量を制御する可変バルブ機構と、
前記吸気バルブ上流側に備えられたスロットル弁とを備える内燃機関のフェールセーフ制御装置であって、
前記可変バルブ機構の制御系統の故障の有無を診断すると共に、
機関運転状態に応じた吸入空気量が前記可変バルブ機構によって制御され、
且つ、最大吸入空気量が得られる所定の開度にスロットル弁が保持されている、もしくは、要求される吸気負圧となるようスロットル弁が制御されている時に、吸入空気量が過大となる方向に可変バルブ機構の制御系統に故障が生じた場合、
前記保持されている所定のスロットル開度もしくは、前記吸気負圧が要求されている運転状態で制御されている時のスロットル開度に優先して、前記可変バルブ機構が正常であるときの吸入空気量が維持されるように前記目標吸入空気量と実吸入空気量の偏差に基づいて前記スロットルバルブを制御することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関の構成図であり、Ｖ型内燃機関１０１の上流側の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットルＥＴＣ１０４が介装される。前記吸気管１０２から分岐して左右の各バンクに吸気マニホールド１０５、１０６が接続される。そして、前記電子制御スロットルＥＴＣ１０４から吸気マニホールド１０５、１０６を経て各気筒の吸気バルブ１０７を介して、燃焼室１０８内に空気が吸入される。燃焼室１０８には、点火栓１０９が装着されている。また、気筒毎に燃料噴射弁２００を備えている。
【００１７】
燃焼排気は燃焼室１０８から排気バルブ１１０を介して排出され、触媒１１１及浄化された後、マフラー１１２を介して大気中に放出される。
前記排気バルブ１１０は、バンク毎の排気側カム軸に軸支されたカム１１３Ｌ，１１３Ｒによって一定のバルブリフト量及びバルブ作動角を保って開閉駆動されるが、吸気バルブ１０７は、バンク毎の可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌ，１１４Ｒによって、それぞれバルブリフト量及びバルブ作動角が連続的に変えられるようになっている。
【００１８】
前記可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌ，１１４Ｒは、図示しないモータ（アクチュエータ）により、後述するように、制御軸の作動角を変化させることで、吸気バルブ１０７のバルブリフト量及びバルブ作動角を連続的に変化させる機構であり、前記作動角がポテンショメータ式の作動角センサ１１５Ｌ，１１５Ｒで検出される。
【００１９】
コントロールユニット１１６は、スロットルバルブ１０３ｂの開度及び吸気バルブ１０７の開特性によってアクセル開度に対応する吸入空気量が得られるように、アクセル開度センサＡＰＳ１１７で検出されるアクセル開度に応じて前記電子制御スロットルＥＴＣ１０４及び可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌ，１１４Ｒを制御する。但し、吸気負圧が要求される運転条件以外の基本的な運転条件では、スロットルバルブ１０３ｂは全開に保持され、可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌ，１１４Ｒのみで吸入空気量を制御する。このように、本実施形態では、左右バンクの気筒群毎に２つの可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌ、１１４Ｒからなる吸入空気量制御系統を備える。
【００２０】
前記コントロールユニット１１６には、前記アクセル開度センサＡＰＳ１１７の他、吸入空気量（質量流量）を検出するエアフローメータ１１８、クランク軸から回転信号を取り出すクランク角センサ１１９、スロットルバルブ１０３ｂの開度を検出するスロットルセンサ１２０等からの検出信号が入力される。
図２〜図４は、前記可変バルブ機構ＶＥＬ１１５の構造を詳細に示すものである。
【００２１】
図２〜図４に示す可変バルブ機構ＶＥＬは、一対の吸気バルブ１０７，１０７と、シリンダヘッド１１のカム軸受１４に回転自在に支持された中空状のカム軸１３と、該カム軸１３に軸支された回転カムである２つの偏心カム１５，１５と、前記カム軸１３の上方位置に同じカム軸受１４に回転自在に支持された制御軸１６と、該制御軸１６に制御カム１７を介して揺動自在に支持された一対のロッカアーム１８，１８と、各吸気バルブ１０７，１０７の上端部にバルブリフター１９，１９を介して配置された一対のそれぞれ独立した揺動カム２０，２０とを備えている。
【００２２】
前記偏心カム１５，１５とロッカアーム１８，１８とは、リンクアーム２５，２５によって連係され、ロッカアーム１８，１８と揺動カム２０，２０とは、リンク部材２６，２６によって連係されている。
前記偏心カム１５は、図５に示すように、略リング状を呈し、小径なカム本体１５ａと、該カム本体１５ａの外端面に一体に設けられたフランジ部１５ｂとからなり、内部軸方向にカム軸挿通孔１５ｃが貫通形成されていると共に、カム本体１５ａの軸心Ｘがカム軸１３の軸心Ｙから所定量だけ偏心している。
【００２３】
また、前記偏心カム１５は、カム軸１３に対し前記バルブリフター１９に干渉しない両外側にカム軸挿通孔１５ｃを介して圧入固定されていると共に、カム本体１５ａの外周面１５ｄが同一のカムプロフィールに形成されている。
前記ロッカアーム１８は、図４に示すように、略クランク状に屈曲形成され、中央の基部１８ａが制御カム１７に回転自存に支持されている。
【００２４】
また、基部１８ａの外端部に突設された一端部１８ｂには、リンクアーム２５の先端部と連結するピン２１が圧入されるピン孔１８ｄが貫通形成されている一方、基部１８ａの内端部に突設された他端部１８ｃには、各リンク部材２６の後述する一端部２６ａと連結するピン２８が圧入されるピン孔１８ｅが形成されている。
【００２５】
前記制御カム１７は、円筒状を呈し、制御軸１６外周に固定されていると共に、図２に示すように軸心Ｐ１位置が制御軸１６の軸心Ｐ２からαだけ偏心している。
前記揺動カム２０は、図２及び図６，図７に示すように略横Ｕ字形状を呈し、略円環状の基端部２２にカム軸１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔２２ａが貫通形成されていると共に、ロッカアーム１８の他端部１８ｃ側に位置する端部２３にピン孔２３ａが貫通形成されている。
【００２６】
また、揺動カム２０の下面には、基端部２２側の基円面２４ａと該基円面２４ａから端部２３端縁側に円弧状に延びるカム面２４ｂとが形成されており、該基円面２４ａとカム面２４ｂとが、揺動カム２０の揺動位置に応じて各バルブリフター１９の上面所定位置に当接するようになっている。
即ち、図８に示すバルブリフト特性からみると、図２に示すように基円面２４ａの所定角度範囲θ１がベースサークル区間になり、カム面２４ｂの前記ベースサークル区間θ１から所定角度範囲θ２が所謂ランプ区間となり、更に、カム面２４ｂのランプ区間θ２から所定角度範囲θ３がリフト区間になるように設定されている。
【００２７】
また、前記リンクアーム２５は、円環状の基部２５ａと、該基部２５ａの外周面所定位置に突設された突出端２５ｂとを備え、基部２５ａの中央位置には、前記偏心カム１５のカム本体１５ａの外周面に回転自在に嵌合する嵌合穴２５ｃが形成されている一方、突出端２５ｂには、前記ピン２１が回転自在に挿通するピン孔２５ｄが貫通形成されている。
【００２８】
尚、前記リンクアーム２５と偏心カム１５とによって揺動駆動部材が構成される。
更に、前記リンク部材２６は、所定長さの直線状に形成され、円形状の両端部２６ａ，２６ｂには前記ロッカアーム１８の他端部１８ｃと揺動カム２０の端部２３の各ピン孔１８ｄ，２３ａに圧入した各ピン２８，２９の端部が回転自在に挿通するピン挿通孔２６ｃ，２６ｄが貫通形成されている。
【００２９】
尚、各ピン２１，２８，２９の一端部には、リンクアーム２５やリンク部材２６の軸方向の移動を規制するスナップリング３０，３１，３２が設けられている。
前記制御軸１６は、一端部に設けられたＤＣサーボモータ等のアクチュエータ１２１によって所定回転角度範囲内で回転駆動されるようになっており、前記制御軸１６の作動角を前記アクチュエータ１２１で変化させることで、吸気バルブ１０７のバルブリフト量及びバルブ作動角が連続的に変化する構成であり、バルブリフト量の減少に応じてバルブ作動角がより小さく変化する（図９参照）。
【００３０】
バルブリフト量及びバルブ作動角を小さくする場合には、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、制御軸１６の軸心Ｐ２が制御カム１７の軸心Ｐ１がよりも下方に位置するように、制御軸１６を回転させ、逆に、バルブリフト量及びバルブ作動角を大きくする場合には、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、制御軸１６の軸心Ｐ２が制御カム１７の軸心Ｐ１がよりも上方に位置するように、制御軸１６を回転させる。
【００３１】
前記コントロールユニット１１４は、作動角センサ１１３の出力（出力電圧）を予め設定された変換特性に従って制御軸１６の作動角に変換し、該作動角の検出結果が目標値に一致するようにアクチュエータ１２１をフィードバック制御する。
次に、上記吸入空気量制御系統である可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌ，１１４Ｒをバンク（気筒群）毎に２つ備えたＶ型内燃機関１０１において、本発明に係る吸入空気量制御系統故障時のフェールセーフ制御について説明する。
【００３２】
具体的には、可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌ，１１４Ｒについて故障の有無を診断し、一方の可変バルブ機構ＶＥＬが故障した場合には、他方の可変バルブ機構ＶＥＬで吸入空気量制御を補償するフェールセーフ制御を行う。
前記フェールセーフ制御を、図１０のフローチャートにしたがって、図１１のブロック図を参照しつつ説明する。
【００３３】
ステップ１では、左バンクの可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌについて故障診断を行い、ステップ２では、右バンクの可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｒについて故障診断を行う。
前記故障診断は、具体的には図１１に示すように、それぞれの可変バルブ機構ＶＥＬについて行う。
【００３４】
まず、前記アクセル開度センサＡＰＳ１１７によって検出される機関の要求負荷ＬＯＡＤと、機関回転速度Ｎｅとに基づいて、可変バルブ機構ＶＥＬの目標作動角ＶＥＬＴＲＧをマップ参照により求める。
次いで、目標作動角ＶＥＬＴＲＧと機関回転速度Ｎｅとに基づいて正常時に対応する目標空気量（ベース空気量）ＱＢＡＳＥをマップ参照により求める。
【００３５】
同時に、ＶＥＬの実際の作動角ＶＥＬＰＯＳを、対応する作動角センサ１１５によって検出し、フィルタ処理を施して平滑化した作動角ＶＥＬＣＯＭを算出する。
前記実際の作動角ＶＥＬＣＯＭと機関回転速度Ｎｅとに基づいて実際のＶＥＬ状態（故障時の状態）に対応した実空気量ＱＶＲＥＡＬをマップ参照により求める。
【００３６】
前記目標空気量ＱＢＡＳＥと、実空気量ＱＶＲＥＡＬとの偏差ＤＬＴＱＶＥＬを算出する。
ＶＥＬの故障時には、前記偏差ＤＬＴＱＶＥＬが所定の値を有することとなる。
例えば、一方のＶＥＬが空気量を制限する方向に故障したときは、目標空気量ＱＢＡＳＥに対して実空気量ＱＶＲＥＡＬが不足するため、偏差ＤＬＴＱＶＥＬは正の値となり、逆に、一方のＶＥＬが空気量が過大となる方向に故障したときは、目標空気量ＱＢＡＳＥに対して実空気量ＱＶＲＥＡＬが大きくなるため、偏差ＤＬＴＱＶＥＬは負の値となる。
【００３７】
図１０のステップ３で、左バンクの可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌの故障の有無を判定し、故障があると判定された場合は、ステップ４で該故障により固定された左バンクの可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌの作動角に基づいて、可変バルブ機構ＶＥＬ１１４の目標作動角を修正する。
ステップ３で左バンクの可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌに故障が無いと判定された場合はステップ６へ進み、同様に右バンクの可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｒの故障の有無を判定し、故障があると判定された場合は、ステップ７で該故障により固定された右バンクの可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｒの作動角に基づいて、可変バルブ機構ＶＥＬ１１４の目標作動角を修正する。
【００３８】
前記目標作動角の修正は、具体的には図１１に示すように、既述した目標空気量ＱＢＡＳＥと実空気量ＱＶＲＥＡＬとの偏差ＤＬＴＱＶＥＬを、可変バルブ機構ＶＥＬの系統数（本実施形態では２）で除算し、この値を正常側の可変バルブ機構ＶＥＬに対しての目標空気量の修正量ＨＯＳＱＶＥＬとして算出する。ここで、可変バルブ機構ＶＥＬの系統数で除算するのは、故障時の実空気量ＱＶＲＥＡＬは、全系統が故障された状態での総吸入空気量として算出されるが、実際の故障による吸入空気量のずれ分は、故障した可変バルブ機構ＶＥＬの分だけであり、この分を正常側の可変バルブ機構ＶＥＬで調整するためである。
【００３９】
そして、前記目標空気量の修正量ＨＯＳＱＶＥＬを、目標空気量ＱＢＡＳＥに加算して修正し、該修正した目標吸入空気量ＴＲＧＶＥＬＱと、機関回転速度Ｎｅとに基づいて、修正後の目標作動角ＶＥＬＴＲＧＨを算出する。
このようにして、修正後の目標作動角ＶＥＬＴＲＧＨとなるように正常側の可変バルブ機構ＶＥＬが制御されることにより、トータルの吸入空気量が正常時と同一値となるように調整される。
【００４０】
該トータルの吸入空気量が正しく制御されることにより、エアフローメータで検出される吸入空気量に基づいて算出される燃料噴射量の全気筒のトータル値では、正常時と同一値が確保されるので、これだけでも一応のフェールセーフ機能は確保される。しかし、故障した気筒群と正常側の気筒群とを同一の燃料噴射量に制御すると、それぞれ、目標空燃比に対して一方はリッチに他方はリーンにずれてしまうため、排気浄化性能が損なわれ、トータルの出力トルクも燃焼効率のバラツキによって目標値に対してずれてしまう。
【００４１】
そこで、本実施形態では、より高性能なフェールセーフ機能を確保するため、正常側の可変バルブ機構ＶＥＬと、故障側の可変バルブ機構ＶＥＬとのそれぞれの吸入空気量に応じた燃料噴射量の修正制御を行う。
すなわち、左バンクの可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｌの故障時は、ステップ５で、正常側である右バンクの気筒群と、故障側である左バンクの気筒群とに対し、夫々次式のように、燃料噴射量Ｔｉを補正する。
【００４２】
基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋconst♯×Ｑ／Ｎｅ    Ｋconst♯は定数
右バンクの燃料噴射量ＴｉＲ＝（Ｔｐ＋ＶＥＬＨＯＳ）×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ
左バンクの燃料噴射量ＴｉＬ＝（Ｔｐ−ＶＥＬＨＯＳ）×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ
ここで、ＶＥＬＨＯＳは、前記目標空気量の修正量ＨＯＳＱＶＥＬを用いて次式のように算出される。
【００４３】
ＶＥＬＨＯＳ＝Ｋconst♯×ＨＯＳＱＶＥＬ／Ｎｅ
ＣＯＥＦは水温等に基づく補正係数、Ｔｓはバッテリ電圧補正分
同様に、右バンクの可変バルブ機構ＶＥＬ１１４Ｒの故障時は、ステップ８で、正常側である左バンクの気筒群と、故障側である右バンクの気筒群とに対し、夫々次式のように、燃料噴射量Ｔｉを補正する。
【００４４】
左バンクの燃料噴射量ＴｉＬ＝（Ｔｐ＋ＶＥＬＨＯＳ）×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ
右バンクの燃料噴射量ＴｉＲ＝（Ｔｐ−ＶＥＬＨＯＳ）×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ
このようにすれば、故障側と正常側の可変バルブ機構ＶＥＬにおける吸入空気量に対応して燃料噴射量が設定されるため、それぞれ目標空燃比に制御することができ、排気浄化性能、出力性能を良好に維持することができる。
【００４５】
上記実施形態では、Ｖ型内燃機関に適用したため、初めからバンク毎に可変バルブ機構を備えており、フェールセーフ制御のため特別追加する必要もないが、本発明は、直列型内燃機関にも適用することができ、その場合は、例えば６気筒機関の場合、♯１気筒〜♯３気筒の気筒群と、♯４気筒〜♯６気筒の気筒群に対して、それぞれ１個ずつ可変バルブ機構に設ける構成とすればよい。
【００４６】
また、別の実施形態として、いずれかの可変バルブ機構ＶＥＬが、空気量が過大となる方向に故障したとき、別の吸入空気量制御系統であるスロットルバルブを絞り制御して、トータルの吸入空気量を正常時と同一となるように調整するようなこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における機関の構成図。
【図２】本発明の実施形態における可変バルブ機構を示す断面図（図３のＡ−Ａ断面図）。
【図３】上記可変バルブ機構の側面図。
【図４】上記可変バルブ機構の平面図。
【図５】上記可変バルブ機構に使用される偏心カムを示す斜視図。
【図６】上記可変バルブ機構の低リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。
【図７】上記可変バルブ機構の高リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。
【図８】上記可変バルブ機構における揺動カムの基端面とカム面に対応したバルブリフト特性図。
【図９】上記可変バルブ機構のバルブタイミングとバルブリフトの特性図。
【図１０】実施形態のフェールセーフ制御を示すフローチャート。
【図１１】実施形態のフェールセーフ制御を示す制御ブロック図。
【符号の説明】
１３…カム軸
１５…偏心カム（揺動駆動部材）
１６…制御軸
１７…制御カム
１８…ロッカアーム
２０…揺動カム
２５…リンクアーム（揺動駆動部材）
１０１…内燃機関
１０４…電子制御スロットル
１０７…吸気バルブ
１０９…排気バルブ
１１３Ｌ…可変バルブ機構ＶＥＬ（左バンク側）
１１３Ｒ…可変バルブ機構ＶＥＲ（右バンク側）
１１５Ｌ，１１５Ｒ…作動角センサ
１１６…コントロールユニット
１１７…アクセル開度センサ
１１８…エアフローメータ
１１９…クランク角センサ
１２１…アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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