JP2006105143A - 内燃機関の始動時の逆回転の識別方法および内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インクリメントセンサを用いて内燃機関の始動時の逆回転を識別する手段を改善する。
【解決手段】クランクシャフトの回転方向を内燃機関の始動中に第１の信号エッジの時点で求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のクランクシャフトに結合されたセンサディスクは交互に配置された歯およびギャップから成るマーキングを有しており、このセンサディスクは第１のセンサおよび第２のセンサに配属されており、第１のセンサおよび第２のセンサは少なくとも２つの信号レベルをとりうる電気信号をそれぞれ形成し、各信号レベルは歯またはギャップに対応しており、第１の信号の上昇エッジまたは下降エッジと第２の信号の信号レベルとを用いてクランクシャフトの回転方向および回転角度のインクリメントを求める、内燃機関の始動時の逆回転の識別方法、および内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の始動時の問題の１つはクランクシャフトにおいて望ましくない逆回転が起こることである。逆回転の典型的な原因としては、坂でギヤを入れた車両の運動またはスタータの過度に早い切り離しが挙げられる。この場合、圧縮されたシリンダに蓄積されたエネルギは気体ばねとして内燃機関を逆回転させる。機関がいちど逆方向に運動すると、識別を行わないかぎり機関制御に対する正確な噴射および点火の対応が阻害され、逆回転がしばらくのあいだ続いてしまう。

つまりインクリメントホイールと誘導センサまたは磁気抵抗センサとを用いるクランクシャフト信号のサンプリングからは回転方向の情報が得られない点が基本的な問題となっている。

この問題に対して従来技術からも種々のアプローチが知られている。すなわち米国特許第６６９１６９０号明細書からは、クランクシャフトセンサおよびカムシャフトセンサを備えた内燃機関においてクランクシャフト信号とカムシャフト信号との関係から逆回転を推論する手段が公知である。独国出願第１９９３３８４４号明細書からは、時間的に連続する歯のインクリメントを評価し、そこから逆回転を求める手段が公知である。また日本国出願第２０００１３６７３７号明細書からは、クランクシャフトまたはカムシャフトのマーキングに関連して吸気管圧の特性を設定する方法が公知である。さらに米国特許第５０７９９４５号明細書からは、２つのセンサホイールおよび２つのセンサからのクランクシャフト信号を評価することが知られる。また独国出願第１９９３３８４５号明細書からは、絶対測定を行う角度センサをカムシャフトに設けることが知られる。

上述の公知の方法にはいずれも大きな欠点がある。信号の妥当性検査を行い、種々の駆動条件を考慮して機関に適合させ、信頼性の高い結果を得ることのできる方法が所望される。なおクランクシャフトまたはカムシャフトのセンサ装置を拡張する手段はコストがかかり、機関の設計を変更しなければならなくなってしまう。
米国特許第６６９１６９０号明細書 独国出願第１９９３３８４４号明細書 日本国出願第２０００１３６７３７号明細書 米国特許第５０７９９４５号明細書 独国出願第１９９３３８４５号明細書

したがって本発明の課題は、インクリメントセンサを用いて内燃機関の始動時の逆回転を識別する手段を改善することである。

本発明の課題はクランクシャフトの回転方向を内燃機関の始動中に第１の信号エッジの時点で求めることにより解決される。

さらに本発明の課題は前述の方法を実行する制御装置により解決される。

本明細書での“歯”および“ギャップ”とは交互に配置されたマーキング（例えば磁気マークまたは光学マーク）のことであると理解されたい。

有利には、第１のセンサの信号エッジで、つまり信号レベルがハイからローまたはローからハイへ変化するときに、第２のセンサの信号レベルを求め、対応表からクランクシャフトの回転方向を導出する。

本発明の有利な実施形態では、クランクシャフトの回転方向が連続する２つの信号エッジのあいだに変化したときクランクシャフトの逆回転を識別する。回転方向の変化は１つの信号の唯一の上昇エッジまたは下降エッジを評価することにより直接に得られる。換言すれば、先行または後続のエッジなしで、そのつどのエッジ変化に直接に回転方向を対応させることができる。

有利には、クランクシャフトが逆回転している場合には噴射および／または点火を抑圧する。これにより内燃機関の逆回転が阻止される。さらに、クランクシャフトが逆回転している場合、クランクシャフトが順方向での最小回転数に達するまで噴射および／または点火を抑圧するように構成してもよい。

有利には、第１のセンサの信号レベルの変化時に、制御装置内のクランクシャフト角度用カウンタを回転方向に依存してインクリメントまたはデクリメントする。これによりいずれの時点でも絶対的なクランクシャフト角度が既知となる。この値から付加的に２つのエッジ間の歯の時間が求められ、これにより最新のクランクシャフト回転数を推論することができる。

以下に本発明の実施例を図に則して詳細に説明する。

図１にはセンサディスク１の概略図が示されている。このセンサディスク１は例えば直接にクランクシャフトまたはカムシャフトに配置されているか、または回転の伝動エレメントを介して間接的にカムシャフトに接続されている。センサディスク１は軸線２を中心として回転する。センサディスク１の外周にはマーキング３が配置されている。このマーキングは例えばセンサディスク１の外周に沿って等間隔に並べられた歯４と、そのあいだのギャップ８とから成る。さらにここでは歯４の２倍幅でクランクシャフトのゼロ位置マーク５が表されているが、このゼロ位置マークは２倍幅のギャップであってもよい。歯とギャップとはそれぞれ例えば約３°にわたって延在する。したがって１つの歯およびこれに隣接するギャップを合わせると約６°となる。

センサディスク１に対して第１のセンサ６と第２のセンサ７とが配置されている。これらのセンサ６，７は相互に角度αで配置される。つまり２つのセンサはセンサディスク１の異なる角度領域に分散される。有利には２つのセンサ６，７は共通のケーシングに収容される。ここで有利には角度αは約１〜１５°である。特に有利な手段として、空間的に近傍に配置された少なくとも２つのセンサエレメントを備えたセンサが構成される。このとき少なくとも２つのホール素子を数ｍｍの間隔で１つのＩＣに集積し、このＩＣに付加的に評価回路を設ける。２つのホール素子はセンサ６，７に相応し、評価回路はそれぞれのセンサ信号の時間的関係から回転方向を求める。本発明では既知のクランクシャフトセンサの構造がそのまま利用され、モータに構造上の変更を加えなくても当該のセンサを構成することができる。

クランクシャフトおよびセンサディスク１が回転すると、歯４およびマーク５がセンサ６，７を通過する。これにより例えばセンサ６，７で電気信号がトリガされる。センサ６，７は誘導センサまたは容量センサであってよい。これに代えてセンサ６，７を光学的に動作するように構成してもよい。例えば歯４およびマーク５によって生じる光学上の変化を測定するように構成することができる。

図２には時間ｔに関するセンサ６，７の信号特性が示されている。歯４およびギャップ８が交互にセンサを通過することにより、第１のセンサ６の信号特性Ｓ１および第２のセンサ７の信号特性Ｓ２がそれぞれ矩形信号として形成される。２つの信号は“ハイ”または“ロー”の値を取る。ローからハイへの移行は上昇エッジ１１として、ハイからローへの移行は下降エッジ１２として表されている。

図２には評価されるエッジの基本図が示されている。下記の表１，表２にはこれらのエッジと回転方向との対応関係が示されている。

下記の表１，表２では、上昇エッジ１１は“Ｌ→Ｈ”、下降エッジ１２は“Ｈ→Ｌ”で表される。ＤＲはクランクシャフトの回転方向であり、→は左回転、←は右回転を表している。
表１ 表２
Ｓ１ Ｓ２ ＤＲ Ｓ１ Ｓ２ ＤＲ
Ｈ→Ｌ Ｌ → Ｈ→Ｌ Ｈ ←
Ｌ→Ｈ Ｈ → Ｌ→Ｈ Ｌ ←
Ｈ Ｈ→Ｌ → Ｌ Ｈ→Ｌ ←
Ｌ Ｌ→Ｈ → Ｈ Ｌ→Ｈ ←
一方の信号の上昇エッジまたは下降エッジに対する他方の信号の一定部分から、どの方向へクランクシャフトが回転しているかが求められる。例えば信号Ｓ１のエッジが“Ｈ→Ｌ”であり、信号Ｓ２のエッジがハイレベルであるとき、クランクシャフトは右回転している。

機関制御装置に対する唯一の信号により回転方向を直接に評価できるようにするために、センサ信号から図３のように唯一の符号化信号が形成される。図３の下方にそれぞれ時間に関してセンサ６，７から導出された２つの異なる信号ＰＬ１，ＰＬ２が示されている。まずセンサ６，７から矩形信号として送出された信号が表１，２に基づいて方向情報を有するクロック信号へ変換される。図３の実施例では、信号ＰＬ１の長いハイレベル時間はクランクシャフトの右回転、短いハイレベル時間は左回転を表している。上昇エッジは時間的にはクランクシャフト角度に関連してセンサ６，７の信号に同一であり、制御装置内のクランクシャフト角度用カウンタのインクリメントまたはデクリメントに用いられる。信号の符号化は有利には少なくとも２つのホール素子を有するＩＣによって行われる。信号ＰＬ１，ＰＬ２は制御装置内で適切に評価される。

本発明のさらに拡張された実施例によれば、当該のクランクシャフトセンサは機関始動直後から回転方向情報を評価する。センサが最初の歯を通過したところから機関制御装置内で回転方向が評価される。逆回転が識別されると、スタータによって要求された順方向回転が機関で観察されるまで噴射および点火が抑圧される。図４には本発明の方法のフローチャートが示されている。本発明の方法は、例えばイグニションキーの回転により機関電子回路がスイッチオンされるかまたは後にスタータの駆動によりクランクシャフトの回転が開始されたとき、つまり内燃機関の始動の際に、ステップ１で開始される。これにより次にステップ２でパルスの開始が識別されたか否かが検査される。パルスの開始はＰＬ１，ＰＬ２に対する上述の信号の定義にしたがえば上昇エッジである。信号Ｓ１から信号Ｓ２への移行、つまり信号Ｓ１または信号Ｓ２のエッジ変化が制御装置で識別されると、評価が開始される。こうしてステップ３，４でクランクシャフトの回転方向が前述のように求められる。クランクシャフトが内燃機関の駆動方向、つまり正しい方向へ回転している場合には、ステップ５で噴射および点火のイネーブルが行われる。クランクシャフトが反対方向へ回転している場合には、噴射および点火のイネーブルは行われず、図４のステップ５はジャンプされる。ステップ６では内燃機関の始動が終了したか否かが検査される。始動の終了はクランクシャフトが充分な回転数に達していることによって表される。始動が終了すると前述の方法も終了されるが、始動が終了していない場合には本発明の方法はステップ２へ戻って新たな検査が行われる。方法ステップ２〜６は有利には高速に実行され、ステップ４での検査は個々の歯についてエッジ変化ごとに行うことができる。

センサディスクおよびセンサの概略図である。 センサの信号特性の例を示す図である。 ２つの回転方向に対するパルス長符号化信号の概略図である。 本発明の方法のフローチャートである。

符号の説明

１ センサディスク、 ２ 軸線、 ３ マーキング、 ４ 歯、 ５ ゼロ位置マーク、 ６，７ センサ、 ８ ギャップ、 １１ 信号の上昇エッジ、 １２ 信号の下降エッジ、 Ｓ１，Ｓ２ 信号、 ＰＬ１，ＰＬ２ 信号

Claims (7)

1. 内燃機関のクランクシャフトに結合されたセンサディスク（１）は交互に配置された歯（４）およびギャップ（８）から成るマーキング（３）を有しており、該センサディスクは第１のセンサ（６）および第２のセンサ（７）に配属されており、
   第１のセンサおよび第２のセンサは少なくとも２つの信号レベル（ハイ，ロー）をとりうる電気信号（Ｓ１，Ｓ２）をそれぞれ形成し、各信号レベルは歯（４）またはギャップ（８）に対応しており、
   第１の信号の上昇エッジまたは下降エッジと第２の信号の信号レベルとを用いてクランクシャフトの回転方向および回転角度のインクリメントを求める、
   内燃機関の始動時の逆回転の識別方法において、
   クランクシャフトの回転方向を内燃機関の始動中に第１の信号エッジの時点で求める
   ことを特徴とする内燃機関の始動時の逆回転の識別方法。
2. 第１のセンサの信号エッジで第２のセンサの信号レベルを求め、対応表からクランクシャフトの回転方向を導出する、請求項１記載の方法。
3. クランクシャフトの回転方向が連続する２つの信号エッジのあいだに変化したときクランクシャフトの逆回転を識別する、請求項１または２記載の方法。
4. クランクシャフトが逆回転している場合には噴射および／または点火を抑圧する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. クランクシャフトが逆回転している場合、クランクシャフトが最小回転数に達するまで噴射および／または点火を抑圧する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 第１のセンサの信号レベルの変化時にクランクシャフト角度用カウンタを回転方向に依存してインクリメントまたはデクリメントする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. クランクシャフトに結合されたセンサディスク（１）は交互に配置された歯（４）およびギャップ（８）から成るマーキング（３）を有しており、
   センサディスクに配属された２つのセンサ（６，７）は少なくとも２つの信号レベル（ハイ，ロー）をとりうる電気信号（Ｓ１，Ｓ２）をそれぞれ形成し、各信号レベルは歯（４）またはギャップ（８）に対応しており、
   第１の信号の上昇エッジまたは下降エッジと第２の信号の信号レベルとを用いてクランクシャフトの回転方向および回転角度のインクリメントが求められる、
   内燃機関の制御装置において、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の内燃機関の始動時の逆回転の識別方法が実行される
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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